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Capítulo 1 - PPGEE - Universidade Federal de Minas Gerais

1. especialmente adequada para esta aplica o Os equipamentos de prote o do sistema el trico estudado neste trabalho possuem curvas de caracter stica de tempo muito inverso H tamb m uma curva bastante utilizada principalmente em prote es terra que a tempo definido Ela consiste em se determinar um valor de corrente e um tempo e a atua o do dispositivo de prote o ser feito com o mesmo valor de tempo para qualquer valor de corrente acima do valor de pick up estipulado A figura 2 4 ilustra essa curva para diversos valores de pick up e tempo 11 1000 100 10 Time in Seconds 01 5 1 10 100 1000 10000 Current in Amperes Figura 2 4 Curvas tempo definido no plano tempo x corrente Fonte 36 Al m das curvas as fun es de prote o recebem uma designa o num rica de modo a facilitar sua representa o em equipamentos de prote o e diagramas unifilares conforme a IEEE Std C37 002 1996 Na tabela 2 1 s o retratadas algumas das fun es de prote o encontradas no SEP e ou mencionadas neste trabalho com sua respectiva designa o num rica 12 Tabela 2 1 Lista de a
2. SESSE4 SE2 531 237 SE2SE3 E a E linha SE1 SE4 SE1 00 SE1SE4 SEI 1158 96 SE4 6707 814 2317 98 Tabela 3 8 Valores de elimina o de curto circuito 3F nas barras de 69 kV da SE4 com 2LTs PROTE O LINHA r LINHA CORRENTES DE CURTO CIRCUITO PROTE O DE RETAGUARDA eE DE PARA ae DE PARA TOTAL A er ei AA SEI 4573 88 Sa 8 we gua cn ter sesa OO o o 0 id 333 71 D ssa RE SES 62608 SESSE4 SEZ2 3062 SE2SE3 Ap s a abertura da linha SE1 Es pS 115945 60 SENSED 6708 1372 2318 2 SE 4 Tabela 3 9 Tempos de elimina o de curto trif sico SE4 Local do curto Local do rel Com TRs Barra de 69kV na SE4 SEIS 5 Bo 0 92 com i LT 46 Oo 40 Barra de 69kV na SE4 com 2 LTs A tabela 3 7 traz os valores de corrente de curto circuito trif sico no barramento de 69 kV da SE4 com os temos de elimina o das faltas A tabela 3 8 mostra os mesmos dados que a tabela 3 7 por m para um sistema com duas linhas de transmiss o Percebe se que com duas linhas em paralelo a imped ncia total menor que somente com uma linha fazendo aumentar o valor da corrente de curto circuito Tamb m devido a esse paralelismo as correntes de curto se dividem elevando o tempo de elimina o das faltas A tabela 3 9 traz um comparativo entre a SE4 com duas e com uma LT No primeiro caso para ILT quando se passa de um sistema de
3. 201 E Figura 2 10 Curvas de satura o de TCs de medi o e prote o Fonte 55 Demais caracter sticas dos transformadores de corrente como satura o e circuito equivalente podem ser conferidos nos materiais indicados nos itens 3 10 30 45 46 das refer ncias bibliogr ficas deste trabalho 2 3 4 2 Transformador de Potencial TP 18 S o equipamentos cuja finalidade reduzir o valor de tens o de um circuito a n veis compat veis com instrumentos de medi o e rel s de prote o os isolando eletricamente do circuito de pot ncia al m de promover a seguran a do pessoal e reproduzir fielmente a tens o do circuito do lado prim rio no lado secund rio Fun es de prote o com a direcional de sobrecorrente de fase e terra necessitam de valores de tens o para assim definirem a direcionalidade da falta e determinarem a atua o ou n o do dispositivo de prote o 2 4 Prote o de Barramento De acordo com 57 um barramento geralmente um elemento cr tico de um sistema de pot ncia por ser o ponto de converg ncia de muitos circuitos linhas de transmiss o gera o e cargas Uma falta em um barramento leva a v rias faltas simult neas e envolve elevados valores de corrente de curto circuito devido quantidade de circuitos conectados Dependendo de sua import ncia uma subesta o pode ter diversas barras com o intuito de possibilitar manobras sem perder a continuidade do servi o Por
4. Claudio Cap tulo IV Dispositivos de prote o Parte II Revista O Setor El trico S o Paulo p 26 35 Abril de 2010 Dispon vel em HTTP osetoreletrico com br Acesso em setembro 2011 49 MARDEGAN Claudio Cap tulo V Dispositivos de prote o Parte III Revista O Setor El trico S o Paulo p 26 36 Marco de 2010 Dispon vel em HTTP osetoreletrico com br Acesso em setembro 2011 50 VALE M H M Notas de aula An lise do SEP Departamento de engenharia el trica da UFMG Setembro de 2004 51 The General Electric Company Limited of England GEC Protective Relays Application Guide Oxley Press England 1989 52 WARRINGTON A R V C Protective Relays Their Theory and Practice vol I e I London Chapman amp Hall Ltd 1972 53 ELGERD O I Introdu o teoria de sistemas de energia el trica l ed Sao Paulo McGraw do Brasil 1976 54 BERNARDELLI W H Subesta es S o Paulo Faculdade Educacional de Barretos Faculdade de Engenharia 55 KINDERMANN Geraldo Prote o de Sistemas El tricos de Pot ncia volume 1 3 ed Florian polis SC Ed do Autor 2011 56 The General Electric Company Limited of England GEC Protective Relays Application Guide Oxley Press England 1976 57 ABNT NBR 9029 1985 Emprego de rel s para prote o de barramento em sistema de pot ncia 58 Short Circuit Fault Analysis all buses Paladin Design Base Manual EUA 2010
5. Di J Do a e Lu Fes O oO j O on PE info info info ha on ha O la Do CD Analisando a tabela 3 6 percebe se primeiramente que com 3TRs na SEI a elimina o de qualquer falta trif sica seja ela na SE2 SE4 SE6 e SEIO essa elimina o ocorrer sem atua o dos rel s na SEI e nas LTs Devido expans o do sistema el trico industrial nos ltimos anos houve a necessidade de nova configura o para a prote o dos an is elevando os valores de ajuste dos rel s de sobrecorrente n o direcionais localizados nos secund rios dos TRs de 138 69 kV da SEI n o ficando coordenados com os ajustes da concession ria Para uma falta na SEI esta possui prote o diferencial de barras e diferencial de transformadores cuja coordena o n o depende de outros rel s localizados nas demais subesta es Mesmo assim uma descoordena o existe e uma situa o que deve ser evitada pois pode haver falha de opera o de rel s nas subesta es de distribui o das reas industriais ocasionando abertura indevida das linhas de transmiss o da concession ria local Item mais grave quando se faz a mesma an lise para dois transformadores em opera o Nesse ponto percebe se que n o h coordena o devida entre as subesta es SE 2 4 6 e 10 com os rel s de sobrecorrente n o direcionais dos transformadores de pot ncia apesar de existir essa coordena o entre os ltimos com
6. SE 4 SE 6 EM TR3 75 10 MVA 69 4 16 KV 0 6 7 MVA 0 6 7 MVA 13 8 4 16 EY 13 8 4 15KY 0 CTE TR4 ES Figura 3 7 Diagrama unifilar simplificado da SES Pela figura 3 7 observa se que a SE5 recebe energia da CTE por dois transformadores permitindo se que se tenha uma maior quantidade de cargas cr ticas atendidas e Barra Principal e de Transfer ncia Em circuitos de maior relev ncia em que h a necessidade de manter as cargas na perda de um disjuntor usa se a concep o de barra principal e de transfer ncia Nesse modelo de arranjo os alimentadores e cargas s o ligados diretamente barra de opera o principal e em caso de manuten o manobras ou conting ncias h a altera o para a barra de transfer ncia Para ser efetivo o arranjo requer a instala o de um disjuntor de transfer ncia que utilizado como reserva Deve existir junto com o arranjo uma adapta o da prote o de modo a permitir essa altera o 44 A figura 3 8 ilustra esse modelo de barramento principal e transfer ncia Nela percebe se que h apenas um disjuntor fazendo a interliga o entre as barras logo pode se assim denominado de barramento duplo com um disjuntor somente Esse modelo com interliga o utilizando apenas um disjuntor encontrado na SEL Le La Le La L A Figura 3 8 Barra de transfer ncia e principal Fonte 8 Por se tratar de uma subesta o de maior relev ncia por
7. cap tulo 3 foi estudada toda a filosofia de prote o do sistema el trico detalhando suas caracter sticas e enfatizando a necessidade de uma modifica o na prote o atual dos barramentos de 69 kV Assim mostrou se em detalhes esse tipo de prote o listando os pontos negativos que afetam diretamente no processo produtivo da empresa possibilitando propor uma melhoria que atenda s necessidades da empresa e que seja vi vel financeiramente Com isso houve v rios ganhos entre eles o baixo custo da solu o reduzido tempo de implementa o com baixos impactos na produ o 78 A tabela 5 1 traz um quadro comparativo colocando as caracteristicas de cada tipo de filosofia a existente feita por compara o direcional e a proposta feita por diferencial parcial Tabela 5 1 Quadro comparativo entre a filosofia atual e a proposta Problemas enfentados com a prote o Solu es encontradas com a aplica o da prote o direcional de sobrecorrente diferencial parcial ceducao do temp le elimina o d ltas tritasi Elevado tempo de elimina o de faltas trifasicas e fase fas Redu o do tempo de ne oO Severos afundamentos de tens o provocados pelos curtos Taior estabilidade ao sistema com a redu o do tempo subm circuitos causando perda de cargas em diversas subesta es idamentos de tens o provocados por curtos circuitos er de ajustes devido a manobras operacionais em Elimina o do alho da equipe de prote
8. 8kV dois transformadores de pot ncia 69 4 16kV recebendo energia da concession ria local e um transformador 13 8 4 16kV levando energia da central termel trica ao barramento de cargas cr ticas em 4 16kV Essa subesta o alimenta um processo industrial com elevado n mero de cargas vitais para o processo e de alta import ncia sendo denominadas cargas cr ticas 42 Carga em E ue USER SON SE 1 LT Carga em B9kM ED TRO1 OF 69 4 16k 7910 MYA TROS 13 8 4 16kY 5 0 6 7 MVA TR 02 03 04 05 06 69 13 8kV 25 33 MVA Figura 3 6 Diagrama unifilar simplificado da SE2 Subesta es semelhantes SE2 que possuem cargas em n veis de 4 16kV 13 8kV s o as SE3 SE4 e a SE10 O que as difere que a SE 4 e a SE10 n o recebem energia vinda do processo de gera o interna As demais subesta es SE5 SE6 SE7 SE8 e SEY possuem cargas somente na tens o de 4 16kV sendo que apenas a SE9 n o possui alimenta o da CTE Nao que n o possua cargas com alto grau de criticidade mas porque devido sua dist ncia com localiza o dif cil e s caracter sticas das cargas que podem ser desligadas e religadas em curto intervalo de tempo minutos sem perda de produ o preferiu se optar pelo uso de gerador diesel que opera na falta de abastecimento da concession ria local A figura 3 7 ilustra a SES retratando as subesta es com alimenta o somente no nivel de tens o de 4 16kV 43
9. Instala o e opera o adequadas de geradores transformadores e linhas de transmiss o e distribui o Para o usu rio a energia tem de ser constante ter capacidade infinita e n o sofrer perturba es mas o que acontece que o sistema est sujeito a dist rbios diversos sendo esses causados por fen menos da natureza manuten o e opera o inadequadas e outros fatores que resultam em falha do equipamento Os sistemas el tricos s o suscept veis a defeitos diversos que resultam em sua maioria no corte de energia el trica e nos casos mais graves em danos severos a equipamentos e pessoas Curtos circuitos sobrecargas sobretens es s o os defeitos mais comuns de se encontrar em sistemas el tricos principalmente os industriais Apesar de sofrer diversas perturba es o sistema deve se manter quase que em funcionamento normal est vel Prote o uma das reas da engenharia el trica que estuda os princ pios de opera o e funcionamento de rel s e demais equipamentos de prote o como fusiveis e disjuntores com curvas t rmicas magn ticas e de fuga para a terra que detectam condi es anormais no sistema eliminando a da maneira mais r pida e eficiente poss vel com o intuito de retornar sua opera o normal o mais rapidamente poss vel A velocidade de resposta um dos requisitos fundamentais em prote o Em casos s o exigidas atua es em milisegundos e no m ximo em segundos dependendo do tipo de
10. Relay Applications to Power System Buses 2009 82 32 FILHO Clever S P Notas de aula Sistemas de Prote o Digital Departamento de engenharia el trica da UFMG Agosto de 2011 33 Figura de satura o de rel 87 http www scielo br scielo php pid S0103 17592008000100009 amp script sci arttext acessado em 02 10 212 34 BEEMAN Donald Industrial Power Systems Handbook 1 gt Mc Graw Hill 35 FILHO C S P Redes El tricas no Dominio da Fregii ncia 1 ed Belo Horizonte 2009 36 FILHO C S P Notas de aula An lise de redes el tricas no dom nio da frequ ncia Departamento de engenharia el trica da UFMG Mar o de 2009 37 DUARTE T C SANTOS M E FILHO C S P NAZARETH P R P Redu o do tempo de elimina o de faltas em barramentos interconectados em an is m ltiplos In Semin rio de balan os energ ticos globais e utilidades 33 2012 Belo Horizonte Anais Belo Horizonte ABM 2012 38 DUARTE T C SANTOS M E FILHO C S P SOUZA R P QUEIROZ P R T Redu o do tempo de elimina o de faltas com implementa o de seletividade em barramentos interconectados em an is m ltiplos In Congresso Brasileiro de Manuten o 27 2012 Rio de Janeiro Anais Rio de Janeiro ABRAMAN 2012 39 Time Overcurrent Relays Types IAC53 e IAC54 GEH 1788L EUA General Electric CO Catalogo 40 Phase Directional Overcurrent Relays Types IBC51 IBC52 IBC53 IBC54 IBC77 e IBC78 GEK 49821F EU
11. TC tipo AKOF uso externo 1978 22 POWER ANALYTICS CORPORATION Dispon vel em http www poweranalytics com designbase main php Acesso em 10 maio 2009 23 IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers Std 242 2001 IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems 2001 24 IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers Std 141 1993 IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants 1993 25 Consultoria e an lise http www consultoriaeanalise com 2009 06 curvas de disparo disjuntores html acessado em 3 de agosto de 2012 26 IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers Std C37 110 2007 IEEE Guide for the Aplication of Current Transoformers Used for Protective Relaying Purposes 2007 27 IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers Std C57 13 2008 IEEE Standard Requirements for Instrument Transformers 2008 28 IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers Std C37 002 1996 IEEE Standard Electrical Power System Device Function Numbers and Contact Designations 1996 29 ABNT NBR 6855 1992 Transformador de Potencial 30 Zocholl S E Analyzing an applying current transformers 1 Pullman Schweitizer Engineering Laboratories August 2004 31 IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers Std C37 234 2009 IEEE Guide for Protective
12. a concession ria para as SE2 4 e 6 Como primeira solu o pode se pensar em reduzir os ajustes atuais nos an is m ltiplos de 69 kV o que atualmente invi vel uma vez que tem de haver coordena o entre rel s eletromec nicos e microprocessados em oito an is de no m nimo 0 3s respeitando o pick up m nimo para se ter um fluxo de corrente circulante 59 nas linhas incluindo altera o de configura o em situa es de manobras sendo que a opera o tem de ser em menor tempo poss vel sem prejudicar cargas e subesta es adjacentes Elevar o ajuste da concession ria outra op o que acarreta elevados tempos para elimina o das faltas V se ent o a necessidade de uma solu o para o sistema que permita al m de sanar os problemas existentes que crie uma flexibilidade futura Com a amplia o da produ o faz se necess rio a duplica o da linha SEI SE4 passando a serem duas no total Os efeitos para a coordena o com os an is m ltiplos de 69 kV ea SEI e a concession ria podem ser vistos na figura 3 177 e nas tabelas 3 7 3 8 e 3 9 Figura 3 17 SE4 com duas linhas de transmiss o 60 Tabela 3 7 Valores de elimina o de curto circuito 3F nas barras de 69 kV da SE4 com 1LT PROTE O LINHA x p LINHA CORRENTES DE CURTO CIRCUITO PROTE O DE RETAGUARDA katia DE PARA GA DE PARA sa e terse fae tae at TOTAL A r Ez A SE1 7900 17 SE4 9495 47 er Es es E asso SES 1003 77 19
13. a de opera o A atua o dessas duas bobinas garante que n o se tenha opera o do rel para faltas externas zona protegida Ainda de acordo com a figura 2 12 na opera o normal ou para um curto circuito externo barra tem se uma forte restri o e uma fraca opera o garantindo a n o 21 opera o do rel diferencial nao percentual J para faltas internas as correntes IA e IB se anulam ou quase se anulam ficando a prote o diferencial praticamente sem restri o A corrente de opera o do rel se torna igual soma das correntes IA e IB cada qual com sua respectiva rela o de TC ficando o rel submetido a um elevado valor de corrente de opera o e um reduzido valor de corrente de restri o garantindo a sua atua o b PRINC PIO B SICO Zi OPERA O NORMAL OU FALTAS EXTERNAS gt Elo gt REL N O OPERA reo Hi EH FALTAS INTERNAS I I I 0 K K l gt Dol 0 gt REL OPERA i i hl 2 JK K Figura 2 12 Esquema de prote o diferencial percentual Fonte 32 Assim pode se dizer que para defeitos externos o rel fortifica a restri o e enfraquece a opera o garantindo a sua n o atua o e para defeitos internos ao elemento protegido h o enfraquecimento da restri o e o fortalecimento da opera o fazendo a prote o atuar A 22 parametriza o desse tipo de rel feita respeitando as caracter sticas impostas em sua curva
14. an lise dos transformadores de corrente em 69 kV das subesta es percebeu se que h quatro enrolamentos secund rios sendo o primeiro utilizado para medi o o segundo para a prote o diferencial de linha o terceiro enrolamento para as prote es direcionais de sobrecorrente de fase e neutro e o quarto enrolamento estando curto circuitado e n o sendo utilizado no momento O valor que se selecionar como RTC para as prote es direcionais de sobrecorrente de fase e neutro depender de um estudo de fluxo de pot ncia para o sistema em opera o normal e conting ncia al m disso para uma s rie de rel s direcionais de sobrecorrente em s rie e sendo estes eletromec nicos necessita se em alguns casos a sele o de um RTC com um valor acima do estipulado pelo estudo de fluxo de pot ncia de modo a se conseguir o intervalo de coordena o desejado Os rel s utilizados na prote o do anel de 69 kV s o majoritariamente eletromec nicos modelo IBC 53 54 e possuem a sua curva caracter stica n o tendo op o de sele o de outro tipo diferentemente dos modelos digitais A inser o de rel s mais modernos nesse sistema se deve ao fato de expans o do sistema industrial com inclus o de subesta o linhas de transmiss o e moderniza o da SE6 de acordo com planos de investimentos e melhorias da empresa Ainda de acordo com esse plano de crescimento novas subesta es e linhas de transmiss o ser o incorporadas elevando o
15. de backup e s o equipamentos distintos a prote o principal e a retaguarda 2 3 Elementos de prote o O rel o dispositivo respons vel por proteger os sistemas el tricos na imin ncia de varia es que provoquem seu funcionamento anormal Basicamente existem tr s itens que fornecem as Informa es necess rias para que os rel s fa am a distin o do que a opera o correta da que n o tens o corrente e o ngulo entre a tens o e corrente Os primeiros rel s foram os eletromec nicos depois com o advento da eletr nica passaram a ter os eletr nicos depois os digitais e hoje h o que se conhece por IED Intelligent Electronic Device Constitu dos de elementos de opera o bobina e um conjunto de contatos o sistema de opera o recebe as informa es de corrente e ou tens o vindas dos TC e TP Esses valores medidos s o analisados e transformados em um movimento de contatos caso seja necess rio Os contatos ser o fechados em situa o de atua o da prote o na exist ncia de um defeito no circuito ou equipamento energizando os circuitos de alarme e efetuando a abertura do disjuntor Os leds e as bandeirolas s o as formas visuais de indica o de opera o H outras como mensagens enviadas a sistemas de controle como PLC e mensagens na IHM de alguns rel s 2 3 1 Fun es e Curvas de Prote o As curvas de prote o s o a forma utilizada pelos equipamentos para detectar uma falh
16. direcional temporizada e instant nea de fase logo para se ter a coordena o com a prote o 51DP proposta neste trabalho deveria se ter um intervalo de coordena o entre a 51DP e a curva de caracter stica 69 Instant nea dos transformadores de pot ncia De acordo com 4 a coordena o entre rel s eletromec nicos feita respeitando um intervalo de 0 3 a 0 5s sendo o mais recomendado e usual o valor de 0 4s ou 400 milissegundos Esses transformadores de pot ncia n o possuem disjuntores em seu prim rio ficando a cargo dos disjuntores das entradas das linhas de 69 kV e de interliga o de barras a responsabilidade de abertura em caso de falta Somado a isso o fato de que a nova prote o ser capaz de fazer a vez da fun o de sobrecorrente n o direcional de fase incluindo os trechos de abertura viu se a possibilidade de se retirar a prote o de sobrecorrente n o direcional de fases dos prim rios dos transformadores de pot ncia deixando a a cargo da 51DP de barramentos conseguindo assim uma maior redu o no tempo de elimina o de faltas e otimiza o no n mero de rel s utilizados Assim dentre as necessidades e caracter sticas do sistema estudado apresentada a solu o que trouxe maiores benef cios com menores custos e tempo de parada de produ o Levando em considera o serem as subesta es configuradas em anel simples seccionado deseja se uma prote o que n o cause a abertura de todas as lin
17. fluxo de pot ncia e os ajustes devem ser revistos todas as vezes em que houver qualquer modifica o no sistema tornando se assim de aplica o trabalhosa No sistema el trico estudado esses rel s s o utilizados como prote o principal de barramentos e prote o de retaguarda das linhas de transmiss o em 69 kV Uma outra desvantagem dos rel s de sobrecorrente n o direcionais a n o possibilidade de localiza o da dire o das correntes dificultando e dependendo da complexidade do sistema 29 tornando imposs vel a sua utiliza o Os rel s de sobrecorrente direcionais atuam para sobrecargas e curtos circuitos com a diferen a que consideram correntes circulantes somente na dire o designada ignorando as correntes que circulam na dire o oposta Sua opera o depende da opera o de uma unidade direcional associada a uma unidade de sobrecorrente A unidade de sobrecorrente atuar quando a corrente exceder um determinado valor como um rel de sobrecorrente comum por m a unidade direcional somente permitir a opera o quando a corrente estiver orientada na dire o configurada no rel A figura 2 20 ilustra uma configura o em anel em que a coordena o da prote o feita usando unidades direcionais em cadeia dupla alternando os rel s exceto para os rel s na fonte que n o precisam ser direcionais As setas indicam para qual dire o de corrente esses rel s atuar o Os rel s que ficam no
18. isso a prote o escolhida depender da import ncia do barramento para o sistema Prote o de barramento de alta velocidade usualmente prevista para limitar os efeitos danosos sobre equipamentos estabilidade do sistema de pot ncia ou para manter a continuidade do atendimento maior quantidade de cargas poss vel 57 De acordo com 7 defeitos em barramentos correspondem a 5 das ocorr ncias relatadas em sistemas el tricos Quando ocorrem h a desconex o da barra do sistema com perda de continuidade do servi o A partir das refer ncias 31 e 57 as prote es de barras foram divididas em grupos e detalhadas mais adiante conforme e Prote o diferencial de barras e Prote o de barras com rel diferencial parcial e Prote o de barras por compara o direcional 19 2 4 1 Esquemas diferenciais aplicados a barramentos 2 4 1 1 Prote o diferencial de barras A prote o diferencial de barras pode ser feita utilizando rel s de sobrecorrente ou rel s diferenciais Ele compara os valores das correntes que entram com os valores das correntes que saem da barra e caso haja alguma diferen a superior ao valor ajustado ocorre a atua o com envio do sinal para permitir a abertura dos disjuntores e isolar o trecho defeituoso A prote o diferencial n o sensibilizada por defeitos ocorridos fora da zona protegida mas pode atuar por erros inerentes aos transformadores de corrente Entende se por
19. o capacidade do sistema gerador a aplica o de rel s com caracter sticas muito inversas poder resultar em tempos de opera o bem mais r pidos do que o uso de rel s com caracter sticas inversas Por m quando o valor da corrente de curto circuito predominantemente dependente da capacidade de gera o existente no momento do curto mais vantajoso usar rel s com caracter sticas inversas As caracter sticas extremamente inversas s o particularmente adequadas para prote o de circuitos alimentadores de distribui o prim ria j que eles coordenam melhor com fus veis e religadores e podem ser ajustados para permitirem a circula o de correntes elevadas transit rias que ocorrem quando um desses circuitos restaurado ap s ter estado fora de servi o durante um longo per odo de tempo conforme 56 Esses tipos de circuitos alimentadores fornecem geralmente energia el trica a um grande n mero de dispositivos autom tico de opera o intermitente como refrigeradores bombas aquecedores condicionadores de ar e etc Em opera o normal existe uma grande diversidade entre estas cargas e a corrente total consumida bastante inferior soma das correntes nominais individuais Contudo ap s uma sa da prolongada de servi o dos alimentadores todos os dispositivos e equipamentos citados come am a operar simultaneamente provocando um pico inicial elevado de corrente A caracter stica temporizada extremamente inversa
20. o valor de corrente do sistema de pot ncia a um valor aceit vel para ser lido em equipamentos de medi o e prote o isto de modo que os instrumentos como os rel s e medidores de energia possam registrar a corrente passante no sistema sem que seus circuitos internos sejam danificados Os valores mais comumente encontrados s o 1 A e 5 A 3 15 Os TCs tamb m promovem a seguran a de pessoas reduzindo a um valor baixo a corrente medida em um sistema de alta tens o como 69 kV e padronizam os valores de corrente de rel s de medidores A polaridade de um TC indica a dire o das correntes prim rias e secund rias Ela a forma de enrolar o TC e s o duas a polaridade subtrativa e a aditiva Na polaridade subtrativa o secund rio enrolado de forma invertida em rela o ao prim rio Pelas figuras 2 6 e 2 7 v se que quando a corrente Il entra no ponto P1 polaridade prim ria do TC a corrente secund ria 2 sai pela polaridade S1 polaridade secundaria do TC Na polaridade aditiva o enrolamento secund rio est enrolado no mesmo sentido em rela o ao prim rio Quando a corrente prim ria Il entra na polaridade P1 a corrente secundaria 2 sai pela polaridade S2 como pode ser visto nas figuras 2 8 e 2 9 Figura 2 6 Representa o de um TC de polaridade subtrativa Fonte 10 Figura 2 7 Representa o esquem tica de um TC de polaridade subtrativa em unifilar Fonte 10 16 Figura 2 9
21. permita utilizar a l gica em um nico rel e assim se configurar v rias prote es com a mesma efici ncia um campo de estudo futuro Como propostas de melhoria podem se citar 79 Implementar e testar em rel s microprocessados em seis entradas de corrente e avaliar o tempo de processamento dos valores de corrente lidos e 0 envio do sinal de abertura eliminando o defeito Realizar estudo semelhante para faltas fase terra 80 6 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1 HOROWITZ S H PHADKE A G Power System Relaying England Ed Research Studies Press LTD 1993 2 CLARK H K STEMER F A MARIOTTO L Prote o de Sistemas El tricos de Pot ncia Brasil Ed Santa Maria UFSM 1983 3 ABNT NBR 6856 1992 Transformador de Corrente 4 CAMINHA A C Introdu o a prote o dos sistemas el tricos S o Paulo Ed Edgard Blucher 1977 5 MARKUS Ot vio Circuitos el tricos corrente cont nua e corrente alternada S o Paulo Ed Erica 2001 6 KINDERMANN Geraldo Prote o de Sistemas El tricos de Pot ncia volume 2 1 ed Florian polis SC Ed do Autor 2006 7 ANDERSON P M Power System Protection A John Wiley and Sons Inc Publication 1999 8 KINDERMANN Geraldo Prote o de Sistemas El tricos de Pot ncia volume 3 1 ed Florian polis SC Ed do Autor 2008 9 SILVA M R CARVALHO J C Barramentos de Subesta es Curitiba PR CEFET PR 2002 10 MARDEGAN Cl udio
22. ponto importante a se ressaltar em termos das subesta es existentes e que influir diretamente nos sistemas de prote o n o haver disjuntores exclusivos nos prim rios dos transformadores de pot ncia em 69 kV Os disjuntores ficam nas chegadas das linhas de transmiss o Logo para a falha em um transformador que necessite a atua o da prote o com seu ilhamento isto feito abrindo se os disjuntores que representam as fontes de chegada de energia a esse transformador Como exemplo se ocorresse uma falha no transformador TRO1 da figura 3 5 abririam os disjuntores das linhas vindas das SE3 SES o disjuntor de interliga o de barras em 69 kV e os disjuntores secund rios do TRO e TRO2 para assim evitar o retorno de corrente ao ponto de falta 41 0 m C SE 5 SE 1 LIZ SE 1 LT1 FUTURO a i p 25 33 MVA 25 33 MVA 69 13 8KV 69 13 8KV 4 16kV Figura 3 5 Diagrama unifilar simplificado da SE4 A SE2 assim como a SE4 possui barramentos simples seccionados nos tr s n veis de tens o Alguns pontos que as diferem que a SE2 possui duas linhas de transmiss o recebendo pot ncia da SEI dois alimentadores em 69 kV para alimentar cargas que ter o sua tens o abaixada em subesta es menores abrigadas pr ximas ao processo industrial uma sa da de linha fazendo parte do anel e 69 kV levando pot ncia para a SE3 cinco transformadores de pot ncia de 69 13
23. prote o direcional de sobrecorrentes e a diferencial parcial visando a uma melhor compreens o do leitor aos t picos que ser o tratados nos cap tulos seguintes 33 3 DETALHAMENTO DAS PROTECOES 3 1 Introdu o O sistema el trico estudado neste trabalho composto por dez subesta es que recebem energia da concession ria local no n vel de tens o de 138 kV que abaixado para o n vel de tens o de 69 kV em sua subesta o principal a SEI Esse sistema el trico composto pela subesta o principal e de v rias outras subesta es existentes que s o interligadas entre si por linhas de transmiss o formando an is m ltiplos no n vel de tens o de 69 kV como mostrado na figura 3 1 Al m disso o sistema el trico est inserido em uma ind stria com caracter sticas construtivas baseadas nas tecnologias existentes na d cada de 70 sofrendo poucas moderniza es ao longo dos anos H tamb m um sistema de gera o Interna que utiliza como combust vel os gases oriundos de seu processo industrial gerando energia no n vel de 13 8 k sendo conectando s demais subesta es por cabos onde abaixada e distribu da s demais cargas no n vel de tens o de 4 16kV como mostrado na figura 3 2 por linhas em pontilhado A subesta o principal tamb m recebe energia oriunda do processo de gera o Interna por m no n vel de 69 kV O processo de gera o feito no n vel de 13 8 kV sendo elevada para o n vel de 6
24. que s o diretamente proporcionais aos valores das correntes nos prim rios De acordo com 4 o n mero de circuitos em cada barra pode chegar a 15 dependendo da sensibilidade do rel A figura 2 14 traz esse m todo mostrando o que acontece para uma falta na barra e uma fora dela Para uma falta externa a tens o gerada igual a zero n o fazendo atuar o rel mas para uma falta na barra tem se um valor de tens o que permitir sua atua o e elimina o do defeito Faltas internas Faltas externas Falta 3000 A 100 A 2000 A Figura 2 14 Prote o diferencial de barras com acopladores lineares Fonte 23 No esquema de prote o diferencial com rel s de sobretens o os transformadores de corrente do tipo convencional com n cleo de ferro s o usados e conectados em um esquema diferencial de corrente s que ao se inv s de usar um rel de sobrecorrente se utilizar um rel de sobretens o Assim como o m todo de acoplamento linear n o se tem um n mero de circuitos utilizados Todos os TCs precisam possuir a mesma rela o e recomenda se n o utilizar TCs auxiliares podendo n o fornecer o valor correto da corrente circulante Assim como as demais prote es diferenciais o rel dever operar para faltas internas zona de prote o e n o atuar para faltas externas a ela A configura o desse modelo de prote o Ilustrado na figura 2 15 24 EF Figura 2 15 Prote o diferencial co
25. receber da concession ria local quase toda a pot ncia demandada no sistema industrial optou se por utilizar um arranjo que trouxesse maior confiabilidade Al m do arranjo citado nessa subesta o h ainda um arranjo com barramento em anel que ser falado a seguir e Barramento em Anel O custo inicial e final baixo em rela o aos demais A abertura de um disjuntor seja ela para manuten o ou por prote o impede que haja perda de cargas j que a alimenta o pode ser feita pelo outro lado do anel Pode ser usada tanto em subesta es quanto em linhas de 45 transmiss o interligando outras subesta es N o existe o esquema barra principal e de transfer ncia para esse arranjo que ilustrado na figura 3 9 A SEI por se tratar de uma subesta o que requer maior confiabilidade operacional por receber da concession ria local quase toda a pot ncia demandada no processo industrial possui um arranjo em anel no n vel de 138kV H O H O ge E SL Figura 3 9 Barramento em anel Fonte 9 A SEI uma das subesta es que comp em o sistema el trico estudado possui em sua configura o barramentos em anel no n vel de tens o de 138 kV al m de contar com barras principal e de transfer ncia no n vel de tens o de 69 kV n vel este que distribui para as demais subesta es industriais a energia recebida pela concession ria A figura 3 10 ilustra a esta o de transforma o de energia citada anteri
26. rias provocadas por descargas atmosf ricas evitando uma sobretens o nos equipamentos das Instala es el tricas 2 2 1 Requisitos b sicos de um sistema de prote o Um sistema de prote o complexo t o prejudicial quanto um sistema simples O ideal que e encontre um sistema que preencha os seguintes requisitos e Seletividade isolar somente o trecho ou equipamento defeituoso e Sensibilidade operar para o menor curto circuito no sistema el trico para cuja detec o tenha sido projetado evitando que o defeito adquira maior propor o e Rapidez isolar o circuito protegido t o logo exista o defeito para cuja detec o tenha sido projetado e Simplicidade ser t o simples quanto recomend vel e Economia proporcionar uma prote o adequada com um custo mais econ mico Os requisitos citados t m por finalidade obter o maximo de confiabilidade da prote o dentro dos limites econ micos de cada instala o Entende se por confiabilidade da prote o a opera o correta para os prov veis defeitos do sistema el trico Dentro dos sistemas de prote o h a prote o principal e a de retaguarda A prote o principal aquela configurada para atuar imediatamente falha e a de retaguarda como forma de redund ncia para a n o opera o da prote o principal ou seja uma prote o que atua no caso da prote o principal falhar n o exigindo dela a mesma efici ncia conhecida como prote o
27. trabalho a faz ser considerada uma prote o parte o m todo de an lise baseado no somat rio das correntes e n o em sua diferen a As prote es diferenciais tratadas at aqui utilizam o princ pio da diferen a de correntes O m todo a ser tratado a seguir trata do somat rio das correntes no dispositivo de prote o 2 4 1 2 Prote o de barras com rel diferencial parcial A prote o diferencial parcial de barras pode ser feita de duas formas utilizando rel s de dist ncia ou rel s de sobrecorrente De acordo com a literatura esta ltima h duas formas de se conseguir a prote o desejada sendo a primeira ilustrada na figura 2 17 e comentada na sequ ncia 26 Fonte Fonte br k ER i S poA Cargas Cargas Figura 2 17 Prote o diferencial parcial de barras com rel de sobrecorrente modelo 1 Fonte 23 Os rel s de sobrecorrente localizados nos secund rios dos transformadores de corrente devem ser coordenados com os rel s de sobrecorrente dos alimentadores de modo que uma falta em um alimentador seja eliminada pelo rel a ele pertencente e que somente falhas nos barramentos ou falha do rel do alimentador justifique a atua o da prote o dos secund rios dos transformadores Tal coordena o faz com que o tempo de elimina o da falta n o seja instant neo para ocorr ncias nos barramentos levando o sistema a uma instabilidade transit ria e em seguida perda de cargas por subte
28. zona protegida a regi o compreendida entre os transformadores de corrente instalados de um lado e do outro a que se quer proteger Assim consegue se obter rapidez e seletividade em uma prote o de barra normalmente aplicada em barramentos com elevada complexidade ou com muitas fontes ou que tenham v rios barramentos no mesmo n vel de tens o e funciona como uma fun o complementar a uma fun o de sobrecorrente n o direcional ou quando se quiser satisfazer os seguintes itens e Grau de exposi o a faltas quando o meio a que o barramento estiver Inserido estiver muito suscept vel a faltas e Estabilidade quando se deseja aumentar ou manter a estabilidade do sistema perante uma falta devido sua rapidez de atua o e Seletividade dos barramentos quando se deseja retirar de funcionamento somente a barra em defeito permitindo a opera o do restante do sistema e Efeito da falta no sistema el trico e no processo produtivo a prote o diferencial minimiza os danos ao barramento permitindo a volta r pida do processo produtivo A figura 2 11 mostra um esquem tico de aplica o dessa prote o Nela percebe se um esquema com duas barras cada qual com uma fonte e suas cargas interligadas por um disjuntor tendo transformadores de corrente para medir a corrente que chega e que sai dos barramentos configurando assim uma opera o normal ou n o Essa prote o pode ser feita utilizando rel s de sobrecorrente n o direc
29. 200ms Assim a abertura do disjuntor de interliga es 2 feita em 0 0ms e a elimina o total do curto com a abertura do disjuntor 1 ou 3 dependendo do lado da falta em 200ms O esquema l gico proposto ilustrado na figura 4 10 Linha 1 Somatorio Linha 2 Linha 1 Comparado gt A Comparador gt L A 74 Sa da trip interliga es mi Sa da trip 200ms linha 1 t gt Saida trip 200ms linha 2 Figura 4 10 Implementa o de l gica No momento do curto circuito h o somat rio das correntes vindas das linhas que chegam subesta o sendo na figura 4 10 o caso de uma subesta o que tenha dois barramentos em 69 kV independente do n mero de LT s que chegam em cada um O valor de corrente que se configurar com curto ser visto pelo comparador e dele enviado um sinal de n vel l gico 1 al m do sinal de abertura do disjuntor de interliga o das duas barras O lado que permanecer em falta continuar a contribuir para o curto com um valor de corrente Y ou X sendo que J3 X gt Y X gt Z X Y Z YZZ Os valores de X Y e Z dependem da matriz de impedancias do sistema logo com todas as linhas na barra em curto o valor X ser bem maior quando se abre a interliga o a matriz de imped ncias muda reduzindo esse valor da corrente de curto para Y ou Z n o sendo iguais porque depende da configura o do sistema el trico Assim importante realizar si
30. 380 V e 440 V 54 A subesta o SEI sendo na planta industrial estudada a subesta o que recebe a energia da concession ria local possui capacidade de transforma o de 400 MVA composta por tr s transformadores que operam em paralelo com tens o prim ria de 138 kV e secund ria de 69 kV As demais subesta es que comp em esse sistema possuem transformadores de entrada no n vel de tens o de 69 kV prim rio e secund rio podendo ser de 13 8 kV com pot ncia de 33 MVA ou 4 16 kV com pot ncia de 10 MVA havendo nas subesta es ao m nimo dois transformadores A princ pio caracterizam se as subesta es estudadas como industriais mas com an lise mais cr tica percebe se que esse sistema possui na verdade subesta es de distribui o interligadas entre si No presente trabalho as subesta es estudadas ser o denominadas de subesta es de distribui o das reas industriais porque cada uma atende a um processo industrial espec fico ficando localizadas pr ximas a eles e s o caracterizadas como subesta es de distribui o Outro ponto a se observar nessas esta es de transforma o s o os arranjos De acordo com 23 a prote o de barras depende entre outros pontos do tipo de arranjo adotado V rias configura es de barras foram desenvolvidas ao longo dos anos em especial para atender s necessidades de confiabilidade e maior continuidade do servi o principalmente em situa es de manobras de opera o e ma
31. 3TRs na SEI para 2TRs na SEI o tempo de 61 elimina o continua o mesmo para a concession ria uma vez que o grande limitador das correntes de curto circuito s o os transformadores de pot ncia h uma diminui o no valor da corrente de curto que chegar ao barramento da SE4 pelo aumento da imped ncia em paralelo elevando assim o tempo de elimina o de falta de 0 78s para 0 92s apesar dessa redu o no valor da corrente de curto circuito com a redu o de um transformador a pr pria corrente se eleva porque ao inv s de se dividir em tr s ser o dois equipamentos fazendo reduzir o tempo de elimina o da falta de 1 6s para 1 0s O mesmo racioc nio empregado para a SE4 com 2LTs Ap s a an lise mais detalhada do sistema p de se perceber os reais problemas e que uma solu o que atenda a todas as necessidades se faz necess rio Essa solu o ser abordada no pr ximo cap tulo 3 6 Conclus o No presente cap tulo foi apresentada a filosofia de prote o de barramentos de 69 kV do SEP estudado fez se uma introdu o aos modelos de barramentos das subesta es e se mostrou as configura es encontradas O intuito foi tornar mais claro o motivo pelo qual este trabalho foca no sistema de prote o dos barramentos de 69 kV das subesta es de distribui o das reas industriais conectados em anel A partir do exposto pode se perceber o qu o complexo esse sistema e o qu o importante apresentar uma
32. 9 kV na pr pria central termel trica e conectada por cabos SEL O presente cap tulo tem por objetivo mostrar o sistema el trico estudado com nfase na prote o de barramentos em 69 kV 34 SE CONCESSIONARIA Figura 3 1 Sistema El trico 35 SE CONCESSIONARIA Figura 3 2 Sistema El trico interligado a CTE 3 2 Linhas de Transmissao As subesta es do sistema el trico estudado s o interligadas por linhas de transmiss o no n vel de tens o de 69 kV cujos comprimentos variam de 300 m a 12 km caracterizando as como linhas curtas O sistema de prote o principal dessas linhas de transmiss o a prote o diferencial de fio piloto para defeitos entre fases e entre fase e terra A abertura r pida e simult nea de ambos os terminais de uma linha de transmiss o na ocorr ncia de defeito permite que os danos aos condutores sejam minimizados al m de melhorar a estabilidade transit ria do sistema Esses rel s protegem somente o trecho a que est o inseridos n o fornecendo prote o de retaguarda para as demais linhas Para solucionar esse problema s o adotados rel s de sobrecorrente direcionais nas extremidades das linhas de transmiss o Na figura 3 3 a direcionalidade dos 36 2 rel s de sobrecorrente direcionais representa por setas n o sendo a direcionalidade de atua o necessariamente na dire o do fluxo de pot ncia com no caso dos geradores em 13 8kV em que a prote o de
33. A General Electric CO Cat logo 41 Ground Directional Overcurrent Relays Types IBCG51 IBCG52 IBCG53 IBCGS54 IBCG77 e IBCG78 GEK 49822E EUA General Electric CO Cat logo 42 Relay Selection Guide GET8048A EUA General Electric CO Disponivel em http www ge com Acesso em 22 abril 2012 43 IBC IBCG Directional Overcurrent Relay EUA General Electric CO Disponivel em http www electricalmanuals net index php Manuals Protective Relays GE IBC Acesso em 20 janeiro 2012 44 SATO Fujio An lise de curto circuito trif sico em sistemas interligados Campinas Dispon vel em HTTP www dsee fee unicamp br sato TT603 cc3fsi pdf Acesso em 15 mar o 2012 83 45 MARDEGAN Claudio Cap tulo I Transformadores de corrente potencial e bobinas de Rogowski para fins de prote o Parte I Revista O Setor El trico S o Paulo p 22 31 Janeiro de 2010 Dispon vel em HTTP osetoreletrico com br Acesso em setembro 2011 46 MARDEGAN Claudio Cap tulo I Transformadores de corrente potencial e bobinas de Rogowski para fins de prote o Parte II Revista O Setor El trico S o Paulo p 24 33 Fevereiro de 2010 Dispon vel em HTTP osetoreletrico com br Acesso em setembro 2011 47 MARDEGAN Claudio Cap tulo IHI Dispositivos de prote o Parte I Revista O Setor El trico S o Paulo p 28 39 Marco de 2010 Dispon vel em HTTP osetoreletrico com br Acesso em setembro 2011 48 MARDEGAN
34. C directional overcurrent relays The type of protection used for the buses when coordinated leads to high fault clearing time Some alternatives were studied for buses protection in order to reduce the fault clearing time It is shown a protection scheme to reduce the fault clearing time with a few changes lower setup costs and a short downtime 1V Sumario ls OCU CAO Geral sadias risada USD cisto Duas E l 2 SIStemaAs de Prote O E E E ra 3 e E O CAO a E o ceed 3 2 2X NeT da PrO dO E eat Rad 4 2 2 1 Requisitos b sicos de um sistema de prote o seessseoeenesssssssoeerrsssssssserrrsssssseses 6 2m Elementos de Protec Ioner E id 7 2 59 PUNCGOES e Curvas de Prote o unas 2ssesasiesdvaedseedsonutied dd sastn poderei e died a 8 Jie BORN il Senne ee ee Tren are ADD renee etree ree ear een 12 2 3 4 Transformadores para Instrumentos cccccccccccccceeeseeseecceeeceeaaeeessecceeeeeeeeeeesees 13 234 ranstormador de Corrente TO ssa usinacas a e actas 14 2 34 2 ranstormador de Potencial TE ias Grsis Li CoaRidaS O 17 2 POLE AO de Ts Alt AIC INO sede spiel ey ose stan aa a a 18 2 4 1 Esquemas diferenciais aplicados a barramentos cccccccceccceeseeeeseeeeeeeeeaeeeeeees 19 22 lis Brotecao di erenc de DARAS esing saiu panda ones 19 2 4 1 2 Prote o de barras com rel diferencial parcial c cciieseii iii 25 2 4 2 Prote o de barras por compara o CireciOnal cc eeeec
35. Guia pr tico de curto circuitos e seletividade em sistemas el tricos industriais Osasco SP Engepower 2011 11 ARA JO C A S SOUZA F C S CANDIDO J R R DIAS M P Prote o de sistemas el tricos 1 ed Rio de Janeiro Ed Interci ncia 2002 12 SCHNEIDER ELECTRIC Prote o de redes el tricas Guia de prote o Schneider Electric 2008 13 MASON C R The art and Science of protective relaying New York John Wiley and Sons 1956 http www gedigitalenergy com multilin notes artsci index htm acessado em 25 de agosto de 2011 14 KHAN S Industrial Power Systems 1 New York CRC Press 2007 15 COLE O DISTRIBUI O DE ENERGIA EL TRICA Vol 2 Eletrobr s Prote o de Sistemas A reos de Distribui o 1 ed Rio de Janeiro Campus Eletrobr s 1982 81 16 STEVENSON W D Elementos de An lise de Sistemas de Pot ncia 1 ed S o Paulo McGraw do Brasil 1978 17 Motor Protection Relay SPAM 150c Product Guide ABB 1999 http www abb com br product db0003db004281 c12573 e700330419c1256918003597d4 asp x productLanguage pt amp country BR acessado em 03 de janeiro de 2012 18 BLACKBURN J Lewis DOMIN T J Protective Relaying Principles and Practices 3 New York CRC Press 2007 19 ABNT NBR 7270 1988 Cabos de alum nio com alma de a o para linhas a reas 20 FICAP Cat logo de Fios e cabos nus de alum nio para linhas a reas 21 Siemens Placa de identifica o de
36. I 4377 04 SETSEZ sapo SE4 SE3 SE1_ 00 SE1SE4 Tabela 3 4 Efeitos de altera o de dt SE1 SE2 para curto circuito 3F na SE2 CORRENTES DE CURTO CIRCUITO VALOR CONTRIBUI ES 8894 38 8 0 Com somente uma LT s1 00 cELSEe s4 402722 SE4 SE3 4075 73 SE3 SE2 sE5 39793 SES5SE4 ser e Peer tog ta SE1 SE SE1 SE4 SE2 4229 18 A tabela 3 5 traz um resumo desses tempos de elimina o de falta para todas as subesta es em sua configura o original Tabela 3 5 Tempo de elimina o de curto circuito trif sico nas barras de 69 kV das SEs k Oe o o 57 Possuindo este sistema el trico na sua subesta o principal a SE1 tr s transformadores em paralelo uma outra manobra comum a retirada de um deles de funcionamento para manuten o peri dica seja no pr prio equipamento ou fazendo parte de manobra para limpeza e manuten o de outros equipamentos da pr pria SE Sendo o transformador um grande limitador de correntes de curto circuito devido sua imped ncia Z os valores de corrente de curto circuito que fluir o para o barramento faltoso ter o um valor para tr s transformadores em paralelo e outro para dois Assim as subesta es ao entorno da SEL como SE2 SE4 SE6 e SEIO sofrem diretamente com essa quest o Na montagem da coordena o desse sistema com o uso de rel s de sobrecorrente direcionais primeiramente fez se os ajustes para o sistema original e dep
37. Representa o esquem tica de um TC de polaridade aditiva em unifilar Fonte 10 Apesar de todos os transformadores de corrente possu rem o mesmo princ pio de funcionamento h algumas caracter sticas que diferem os que s o de prote o e os que s o de medi o a saber e Os transformadores de corrente para medi o possuem classe de exatid o de 0 3 0 6 e 1 2 conforme 3 e Os transformadores de corrente para prote o possuem classe de exatid o de 10 De acordo com 3 considera se que um TC de prote o est dentro de sua classe de exatid o quando seu erro se mant m dentro dos 10 para valores de corrente de at 20 vezes a corrente nominal do mesmo 17 e Os n cleos dos TCs de medi o s o feitos de materiais de alta permeabilidade magn tica ou seja pequena corrente de magnetiza o levando a poucas perdas e poucos erros Entretanto entram em satura o rapidamente quando uma corrente no enrolamento prim rio atinge um valor pr ximo a quatro vezes o valor da corrente nominal prim ria e Os n cleos dos TCs de prote o s o feitos de materiais que n o possuem a mesma permeabilidade magn tica que os TCs de medi o no entanto s ir o saturar para correntes prim rias muito superiores ao seu valor nominal da ordem de 20 vezes Esse comparativo entre os dois tipos de transformadores de corrente pode ser visto na figura 2 10 V Satura o prote o Satura o medi o AT
38. UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS UFMG ESCOLA DE ENGENHARIA PROGRAMA DE POS GRADUACAO EM ENGENHARIA ELETRICA PPGEE REDUCAO DO TEMPO DE ELIMINACAO DE FALTAS EM BARRAMENTOS INTERCONECTADOS EM ANEIS MULTIPLOS Aluna Tumilla Can ado Duarte Orientador Clever Sebasti o Pereira Filho Universidade Federal de Minas Gerais UFMG Belo Horizonte Janeiro de 2013 Tumilla Cancado Duarte REDU O DO TEMPO DE ELIMINA O DE FALTAS EM BARRAMENTOS INTERCONECTADOS EM AN IS M LTIPLOS Disserta o de Mestrado submetida banca examinadora designada pelo Colegiado do Programa de P s Gradua o em Engenharia El trica da Universidade Federal de Minas Gerais como parte dos requisitos necess rios obten o do grau de Mestre em Engenharia El trica rea de Concentra o Engenharia de Pot ncia Linha de Pesquisa Sistemas de Energia El trica Orientador Clever Sebasti o Pereira Filho Universidade Federal de Minas Gerais UFMG Belo Horizonte Janeiro de 2013 Agradecimentos Gostaria de agradecer a todas as pessoas que profissionalmente me ajudaram a concretizar esse sonho em especial ao engenheiro Paulo Rog rio P Nazareth por sua amizade conhecimento e paci ncia em ter me ensinado a t cnica do estudo da seletividade e prote o em um sistema industrial ao colega o engenheiro Leonardo Adolpho por ter me ensinado a buscar a excel ncia nos estudos de engenharia ao engenheiro Manoel Eust quio dos Santos qu
39. a e elimin la partir da leitura de valores de corrente durante um determinado tempo Elas s o analisadas e impressas em uma folha com escalas logar tmicas nos eixos horizontal corrente e vertical tempo H v rios tipos de curvas as que s o desenvolvidas por fabricantes de equipamentos de prote o e aquelas normatizadas IEC e IEEE As mais utilizadas e encontradas sendo comumente denominadas de curva de tempo inverso ou normal inversa curva de tempo muito inverso curva de tempo extremamente inverso e curva de tempo ultra inverso como pode ser visto na figura 2 3 Curvas de Tempo Inverso Curvas IEC Normal Inversa mm 1 itO Inversa Cyirenamente Inversa Ultra Inversa Tempo em Segundos Is 10 Is Corrente em Multiplos da Nominal Figura 2 3 Compara o entre curvas IEC Fonte 23 A curva com caracter stica de tempo inverso indicada em esquemas onde a corrente depende principalmente da capacidade de gera o do sistema no momento da falta Caracter sticas de tempo muito inverso e extremamente inverso s o indicadas em esquemas onde a corrente de falta depende principalmente da posi o da falta em rela o ao rel e praticamente independe da capacidade de gera o do sistema 10 De a or do com 56 em sistemas onde o valor de corrente de curto circuito circulando em um determinado rel depende principalmente da localiza o do ponto de curto em rela o ao rel e varia muito pouco em rela
40. ando por transformadores e linhas de transmiss o Entende se como fonte geradora a concession ria de energia local sistemas de gera o interna podendo ser um ou outro ou os dois Perda de isolamento de cabos descargas atmosf ricas nas linhas de transmiss o com rompimento da tens o de isola o rvores pr ximas s linhas vida til de equipamentos e outros fatores podem fazer com que a corrente el trica siga um trajeto anormal conhecido como curto circuito ou falta Um curto circuito possui uma capacidade destrutiva que pode causar danos aos equipamentos s pessoas quedas de tens o perda de estabilidade do sistema e Interrup o de fornecimento de energia com consequente perda no processo produtivo A fun o dos rel s e dos sistemas de prote o o de atuar e desligar os disjuntores de modo a isolar somente a parte defeituosa do sistema o t o rapidamente quanto poss vel a fim de minimizar os danos na ocorr ncia de uma falta Assim a principal contribui o deste trabalho a de propor uma melhoria na prote o de barramentos de um sistema el trico de pot ncia industrial configurado em an is m ltiplos na tens o de 69 kV na ocorr ncia de um uma falta trif sica ou fase fase por meio de liga o diferencial de rel s de sobrecorrente com consequente redu o do tempo de atua o A metodologia utilizada baseada em uma revis o bibliogr fica de filosofias de prote o para barramentos em an is m l
41. as a terra desse sistema industrial devido a sua limita o feita por resistores de aterramento de baixa resist ncia ligados nos transformadores de pot ncia prim rio em delta e secund rios em 63 estrela aterrada e assim limitar essa corrente a um valor que garanta a seguran a das pessoas processo e tamb m a esses transformadores por confinarem as correntes de sequencia zero no prim rio em delta optou se por fazer um estudo detalhado introduzindo melhoria no tipo de falta que causaria danos instala o Industrial ao processo e pessoas que s o os curtos circuitos trifasicos e fase fase Devido garantia dessa limita o de corrente os rel s de sobrecorrente direcionais de neutro instalados nas linhas de transmiss o e protegendo os barramentos de 69 kV podem ter um tempo de elimina o de faltas mais elevado permitindo que se consiga uma coordena o do sistema de prote o para diversos tipos de topologia sem causar os danos o que n o ocorre para uma prote o de fase somente Logo este cap tulo tem como objetivo mostrar uma configura o para a prote o de anel de modo que as faltas trif sicas e fase fase sejam eliminadas no menor tempo com o m nimo de modifica es nas subesta es menor custo e menor tempo de parada adotar uma filosofia de prote o de barramentos que permita haver manuten es peri dicas nas subesta es e linhas de transmiss o sem a necessidade de altera o de ajustes de rel s d
42. as conectadas nas barras que recebem energia da CTE s o consideradas de vital Import ncia para o processo por isso em situa es de conting ncia da concession ria local ha a separa o desse sistema mantendo as cargas cr ticas alimentadas pela central termel trica Essa separa o feita por rel s de frequ ncia permitindo a abertura do disjuntor de interliga o das barras com cargas alimentadas pela concession ria e com cargas que ser o alimentadas pela CTE H tamb m rel s de sobrecorrente direcionais de fase limitando a corrente vinda dos geradores nas subesta es com o intuito de impedir a alimenta o de cargas acima da capacidade de gera o Ainda pela figura 3 2 percebe se que n o s o todas as subesta es que recebem energia da CTE somente aquelas que possuem cargas que desejam ser preservadas em momentos de indisponibilidade da concession ria local 3 4 Subesta es As subesta es podem ser caracterizadas como subesta es de transmiss o distribui o e industrial As subesta es de transmiss o s o geralmente utilizadas para a transforma o de altas tens es e de elevadas pot ncias ex 150 MVA e 345 138 kV J as subesta es de 38 distribui o nao possuem tens es prim rias acima de 138 kV e pot ncias acima de 50 MVA As subesta es industriais variam de acordo com a capacidade de transforma o e condi es do sistema ficando as tens es secund rias em torno de 220 V
43. as de transmiss o passa somente por uma Por a curva de prote o adotada ser do tipo muito inversa quanto maior a corrente passante menor o tempo de atua o assim no momento em que se tiver a abertura da linha SE2 SE3 isolando a SE3 em momento de falta no barramento de 69 kV h a abertura tamb m da linha SE1 SE2 desenergizando a SE2 ou seja h uma falta de coordena o do sistema quando em opera o fora de sua topologia usual Por serem rel s eletromec nicos o intervalo de abertura deveria ser de 0 3 a 0 5s nao 0 13s como ilustrado Logo deve se estudar um novo valor de parametriza o que permita o seu funcionamento em v rias situa es consideradas rotineiras Uma solu o para esse problema seria alterar o dial de tempo dos rel s da SE1 SE2 quando em opera o somente com uma linha de transmiss o passando esse valor para 3 0 O efeito dessa mudan a mostrado nas tabelas 3 3 e 3 4 A altera o de dial de tempo para rel s eletromec nicos nesse caso a melhor sa da porque uma altera o de pick up traria uma 55 mudan a mais significativa no formato da curva deixando pontos de descoordena o na SE2 Percebe se pela tabela 3 3 que a atua o da prote o de retaguarda antes com 0 57s passa a 0 85s deixando um intervalo de 0 31s Na SE2 operando somente uma linha SEI SE2 o valor de abertura passa de 0 41s para 0 65s sendo o mesmo valor com dial de tempo 2 0 e duas linhas em funcionamento isto porque a
44. ce sate cna eee E ES omer 49 Figura 3 15 Rel s de sobrecorrente direcionais sensibilizados por curto circuito 51 em barramento de 69 KV na SE gt asas ooo ads EAR EA E E SED 51 Figura 3 16 SE2 com somente uma linha de transmiss o cc ccccccennceteeseteeseseeeeeeeeeeeeeees 55 Figura 3 17 SE4 com duas linhas de transmiss o ccccceceeccccccececceceeeaaeeseeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 59 Figura 4 1 Esquem tico de atua o do 51DP padrao ec cccccccnnnnntstestessseseeeeeeeeeeeeees 64 Figura 4 2 Esquematico de atua o do 51DP para curto na batra eee eeeeeeeeeseeeeeeeeeeeeees 65 Figura 4 3 Esquematico de atua o do 51DP para curto na barra ee eeeeeeeseeeeeeeeeeeeeeees 66 Figura 4 4 Curto fora da zona de prote o do SIDP ou cccccccccccccceeeeeeeeeesseeseeeeeeeeeeeeeees 67 Figura 4 5 Zona d prote o do 3 DP iezieiiiacietiatereduttes alo b nasal natas aatbas de palo nina tebe eee 68 Figura 4 6 Comando para abertura do disjuntor de interliga o 0 00 ceessssseeeseeeeeeeeeeeeeeeees 10 Figura 4 7 Disjuntor de interliga o aberto e curto na Darra cceeneteeeeeeeeeeeseeeeeeeeeeeees 71 Figura 4 8 Momento de comando para abertura do disjuntor da barra faltosa 72 Figura 4 9 Sistema com elimina o da falta ccssssssesesssssccccccceccccccneensessssesesssssececccees Figura 4 10 Implementa o de l gica vi Vil Lista de Tabela
45. de transmiss o suficiente para atender as cargas n o h interrup o de fornecimento de energia e se garante o processo industrial alimentadores Figura 3 4 Barramento simples seccionado Fonte 9 Esse tipo de arranjo encontrado nas subesta es SE2 SE3 SE4 SE5 SE6 SE7 SE8 SE9 e SE10 nos n veis de tens o de 69 kV 13 8kV e 4 16kV fazendo interliga o inclusive com a gera o interna 40 A figura 3 5 mostra um diagrama unifilar simplificado da SE4 em que se percebe a chegada da linha LT1 SEI SE4 em um dos barramentos em 69 kV e que transmitido a toda a SE permitindo a transmiss o de pot ncia para as SE3 e SES Nessa subesta o os barramentos s o do tipo simples seccionado em todos os n veis de tens o 69 kV 13 8kV e 4 16kV Como para cada barramento h a conex o de um transformador em situa es manobras operacionais e de manuten o permite se que todas as cargas continuem sendo alimentadas com o fechamento do disjuntor de interliga o de barras podendo ser um transformador de cada n vel de tens o retirado de servi o desde que sua pot ncia instalada seja capaz de atender as cargas demandadas Conhecendo o processo industrial e seu regime de trabalho pode se afirmar que essa situa o poss vel por isso nas subesta es que comp em essa planta industrial optou se por barramentos simples seccionado de modo que manobras de manuten o e opera o n o interferissem na produ o Um
46. du o deve seguir uma propor o espec fica de modo que os valores prim rios sejam proporcionais s grandezas dos circuitos de for a Apenas duas grandezas s o medidas por meio de transformadores de instrumentos corrente e tens o E para medi las s o usados transformadores de corrente TC e transformadores de potencial TPs instrumenta o e a medi o requerem boa exatid o dos TCs e TPs sob condi es normais de tens o e corrente A prote o necessita ainda que os transformadores de corrente tenham valores de corrente iguais aos passantes no sistema de pot ncia e que suportem valores de curto em torno de 20 vezes a sua capacidade nominal J os transformadores de potencial devem entregar um valor de tens o que pode ser igual ao seu nominal abaixo ou acima no caso de uma subtens o ou sobretens o no sistema 2 3 4 1 Transformador de Corrente TC S o normalmente equipamentos monof sicos que possuem o prim rio ligado em s rie com o circuito principal de alta e o secund rio ligado a rel s e instrumentos de medi o cujo valor da corrente secund ria substancialmente proporcional ao valor de corrente prim ria e depende da rela o de corrente O TC possui dois enrolamentos um do lado de alta e outro do lado de baixa sendo um lado denominado prim rio e o outro secund rio Ambos os lados s o isolados eletricamente um do outro contudo s o acoplados magneticamente S o usados para reduzir
47. e 60 Tabela 4 1 Comparativo entre os tempos de elimina o de falta trif sica e fase fase 75 Tabela 5 1 Quadro comparativo entre a filosofia atual e a proposta ssseoeessssssssseeeerssss 78 Vill Glossario SE Subesta o LT Linha de transmiss o Pick up valor de grandeza tens o corrente e etc para o qual o rel inicia a atua o Tape valor de ajuste de um rel normalmente para a unidade temporizada TC transformador de corrente TP transformador de potencial SEP Sistema el trico de pot ncia Ajuste ou caracter stica de um rel curva caracter stica tempo x corrente de um rel DT dial de tempo s o ajustes utilizados para temporizar um rel Coordenograma ou folha de seletividade gr fico em escala bilogar tmica com o tempo em ordenada e a corrente em abcissa txI em que feita a folha de seletividade IED Intelligent Electronic Device Trip sinal de desligamento enviado por um rel l INTRODU O GERAL Uma instala o industrial constitu da para produzir continuamente e economicamente A produ o depende dentre v rios pontos da adequa o e da continuidade de fornecimento de energia el trica e as interrup es de fornecimento podem ser avaliadas diretamente como perdas de produ o O trajeto normal da corrente el trica em um sistema de distribui o de energia da fonte geradora at a carga por meio de condutores cobre ou alum nio pass
48. e 8 50 A figura 3 14 traz a configura o dos an is 7 e 8 sendo anel 7 com direcionalidade SE1 SE9 SE8 e anel 6 com direcionalidade SE10 SE8 SE9 Uma melhor exemplifica o da complexidade da coordena o da prote o em um sistema em an is m ltiplos protegido por rel s de sobrecorrente direcionais percebida na figura 3 15 Para um curto circuito no barramento de 69 kV na SE 5 seja ele entre fases ou fase terra os rel s direcionais localizados nas SE 4 e 6 e representados na figura 3 15 pela letra A ser o sens veis aos valores de corrente comandando a abertura dos disjuntores Para que essa opera o seja bem sucedida os rel s em A devem estar coordenados com os rel s em B e em C sendo necess rio haver um intervalo m nimo entre esses rel s de 400 milissegundos por serem rel s eletromec nicos tornando elevados os tempos de elimina o de faltas Tamb m pela figura 3 15 poss vel perceber que um curto circuito no barramento de 69 kV na SES faz com que haja a perda total de cargas uma vez que haver a abertura dos disjuntores das linhas de transmiss o que alimentam a subesta o 51 SE8 C SE2 C a Dm A 67 67 q q SE3 q q SE4 on LO Os CD RO i Ci Oi q q q a O 1 OO q q SE5 69kV 8 NO q q q S S Cargas Cargas Figura 3 15 Rel s de sobrecorrente direcionais sensibilizados por curto circuito em barramento de 69 kV na SE 5 22 A partir da
49. e me ajudou plenamente com suas orienta es nesse trabalho e na rea de prote o do sistema el trico aos colegas Jos Geraldo de Carvalho Coelho Nilton Gomes Paulo Roberto Teixeira de Queiroz e ao Rafael Pinto de Souza por terem colaborado em meu crescimento t cnico na engenharia de campo Quero tamb m agradecer aos professores da UFMG e do LRC por terem me recebido de bra os abertos e por ministrarem aulas que nos fazem crescer como profissionais de engenharia el trica Agrade o s minhas irm s pela amizade ao meu pai por sua sabedoria ao S rgio por seu companheirismo e sobretudo a Deus por ter me dado uma m e que sabe me orientar em todos os meus momentos tanto profissionais quanto pessoais e que sem ela nada disso teria sido poss vel 1i Resumo L Um sistema el trico industrial normalmente composto por uma subesta o principal que recebe energia da concession ria local e de v rias subesta es localizadas nas diversas reas industriais Essas subesta es s o interligadas principal e entre si por linhas de transmiss o formando uma topologia de an is Essa topologia tem por finalidade permitir maior confiabilidade operacional do sistema el trico No presente trabalho estudado um sistema el trico industrial projetado e constru do na d cada de 70 com as caracter sticas semelhantes ao mencionado com as subesta es industriais interligadas entre si e subesta o principal por lin
50. e opera o ilustrada na figura 2 13 O eixo vertical corresponde s correntes na bobina de opera o e o eixo horizontal s correntes na bobina de restri o A inclina o da curva slope corresponde sensibilidade do rel quanto maior for essa inclina o menor ser esse valor Erros de TC e em caso de transformadores com presen a de comuta o de tap devem ser considerados na hora de estipular esse ajuste CORRENTES ENFERENCIAIS divs ZONA DE OPERA O WLS TE DE s 25 RESTEN O PERCENTUAL CCP ai o 155 CO ZONA DE RESTRK AO CORRENTES PASS ANTES Figura 2 13 Curva caracter stica de opera o do rel diferencial percentual Fonte 33 O m todo denominado prote o diferencial de barras por acopladores lineares uma prote o bem r pida sendo largamente utilizado em barramentos que sofrer o expans es futuras Os transformadores de corrente possuem n cleo de ferro e por assim serem o n mero de circuitos permitidos em um barramento fica limitado uma vez que o rel recebe a corrente diferencial menos a soma das correntes de excita o de todos os TCs Os transformadores de corrente toroidais sem n cleo de ferro denominados de acopladores lineares permitem que as condi es transit rias sejam eliminadas n o havendo corrente de magnetiza o e nem limite de satura o nem problemas de condutores de interconex o 23 Tais acopladores s o conectados em s rie e produzem uma tens o secund ria
51. e prote o devido a altera es de topologia do sistema e que o sistema se torne seletivo ou seja que a elimina o da falta nos barramentos seja localizada permitindo a abertura somente de uma fonte de pot ncia para a subesta o e n o todas garantindo assim a continuidade do processo produtivo 4 2 Proposta de filosofia de prote o Sendo um dos prop sitos a redu o dos tempos de elimina o de faltas fase fase e trifasicas nos barramentos de 69 kV das subesta es foram feitas an lises e estudos que permitiram a ado o de rel s de sobrecorrente diferenciais parciais O princ pio de funcionamento dessa fun o de prote o denominada de sobrecorrente diferencial parcial para prote o de barramentos relatada no cap tulo 2 e ilustrada na figura 4 1 Um rel de sobrecorrente n o direcional configurado de modo que receba valores de correntes vindas de dois transformadores de corrente conectados permitindo que haja somat rio das correntes de curto 64 circuito para uma falta trifasica ou fase fase na barra Esse rel atuara enviando sinal aos respectivos disjuntores eliminando a falta A prote o localizada e protege a rea existente entre os transformadores de corrente Em opera o normal do sistema h corrente circulante nos transformadores de corrente mas n o h atua o do rel porque se precisa de um determinado valor de corrente valor este que ira caracterizar a presen a de um curto circu
52. eeecccceceeeeeeeeeeeeeeeeeaeeeeees 28 Ze de COMECIUS AG cessor skew iii E O E Raio 32 de Detalhamento das PrOveCOes tuna cus en rE E ee 33 Jle OdT Oaea N EO a a a et hoes 33 Del eM AS Ge Transmis AO saiu cnn acne a iee cena oacaeee ccc enn eeene cancels 35 o io GaC O MEd iraan RR CO E A O 37 WSD UDES OE Sara a e a a a a a 37 3 5 Prote o dos barramentos em an is m ltiplos em 69 kV 47 SEO PO ONCINS AO aps te A herrea cies ee ed Acasa a a cee tea a Agree DR 61 4 Estudo para Redu o do tempo de elimina o de faltas em barramentos interconectados enkan S NUPI OS astra arenas E E ee ar ere 62 A MOJUTO ssa asas ind seas Ran a OTRAS RD RIO DS DS DA 62 4 2 Proposta de filosofia de prot O iza midia rs ion dad OS 63 a COMMIS AO gia E EE A E E E E A E E AE eae enact action NOST A E 76 gt Concl s ese Propostas de Continuidade sasscsieiceren nern n Eris TI Deles PME UN O a dd D2 COMCIUS E E caia E E E NE E E add E TI Propostas de Continuidade suenan E A E TERNE 78 O Rel ncas BIDHNOS TANCIS ireen AS 80 Lista de Figuras Figura 2 1 Curva caracter stica tempo x corrente t pica de disjuntores cccececcceeeeeeeeeeeees 5 Pisura 2 Conjunto Dis juntor Reload doada Dae E Do earners 6 Fisura2 5 Compara o entre curvas TEC saga nana nrsenio poi ass O aaa E dA Miu eetesheetenee 9 Figura 2 4 Curvas tempo definido no plano tempo x corrente eessssesssssssseseeeeerreressssssssssss 11 Fieura2 5 Re
53. eito O modelo 2 requer que a subesta o fique sem alimenta o at que o defeito seja detectado e resolvido possuindo essa subesta o barramento simples como da figura 2 18 ou barramento simples seccionado como da figura 2 17 No modelo 1 a elimina o do defeito por barra permitindo que cargas locadas em outros barramentos continuem em funcionamento Uma outra forma de se fazer a prote o diferencial parcial com o uso de rel de dist ncia Ilustrado na figura 2 19 28 O Rel de distancia Reatores E a Figura 2 19 Prote o diferencial parcial de barras com rel de dist ncia Fonte 13 Esse tipo de prote o aplicado quando todos os circuitos de carga possuem reatores limitadores de corrente Os reatores introduzem uma reat ncia no sistema de modo que o rel de imped ncia possa distinguir se a falta foi na barra ou nas cargas 2 4 2 Prote o de barras por compara o direcional A prote o de barras por compara o direcional feita utilizando rel s de sobrecorrente direcionais 67 e 67N Esses rel s constituem o esquema mais simples e econ mico para a prote o das linhas de transmiss o contra sobrecarga e curto circuito entre fases e fase terra al m de serem utilizados como prote o para barramentos Eles operam todas as vezes em que a corrente ultrapassa o valor estipulado no rel Sua aplica o depende de um estudo detalhado das correntes de curto circuito e
54. endem do tipo de anormalidade que se quer tratar Os disjuntores s o dispositivos constitu dos de contatos com alto poder de interrup o da corrente el trica e normalmente operam sob o comando dos rel s A partir da m dia tens o comum encontrar o grupo formado por disjuntor e rel mas em sistemas com n vel de tens o mais baixa a detec o do defeito e sua Interrup o feita pelo pr prio disjuntor Esses disjuntores possuem dispositivos de sobrecorrente com elementos de a o temporizada e Instant nea que atuam no mecanismo de abertura O elemento de a o temporizada constitu do por um par bimet lico e sua caracter stica de tempo do tipo inverso ou seja quanto maior a corrente passante menor o tempo de atua o O elemento de a o instant nea constitu do de um magneto que atua de forma imediata para correntes muito elevadas caracterizando a exist ncia de um curto circuito A figura 2 1 ilustra essa caracter stica tempo versus corrente Nela h unidade temporizada caracterizada por uma curva longa que come a do valor nominal de corrente do sistema at o in cio da parte instant nea em vertical Em alguns disjuntores o valor da unidade instant nea ajust vel o que pode ser visto pelas letras B Ce D 143 145 Tm maes EB w aed 4888 Ait Udit fF EI rPiititttut id Art it 1 tit tt itn asas a DR O O SS ms E UM ell 5 3 02 ot ae 004 oe E E use 1152 34668wW SD MW M
55. ente de carga do sistema 71 Vem da SE6 Vem da SE4 SES 69kV Figura 4 7 Disjuntor de interliga o aberto e curto na barra Do lado do barramento em falta a corrente elevada em circula o faz com que seja confirmado o curto permitindo uma abertura de disjuntor da linha do lado faltoso A figura 4 8 ilustra esse segundo passo de atua o do rel de prote o com comando de abertura 72 Vem da SE6 Vem da SE4 SES 69kV Figura 4 8 Momento de comando para abertura do disjuntor da barra faltosa A figura 4 9 ilustra o sistema ap s a total elimina o da falta Percebe se que a subesta o consegue manter algumas das cargas porque somente um lado foi retirado de opera o Nota se tamb m que no primeiro passo h a atua o da prote o 51DP e que no segundo momento h a confirma o de continuidade elevada de corrente sendo uma fun o de sobrecorrente temporizada 51 ou instant nea 50 73 Vemda SE6 Vemda SE4 b 5 1 52 3 SE5 69kV i Figura 4 9 Sistema com elimina o da falta Para se obter o resultado esperado como ilustrado nas figuras 4 6 a 4 9 proposto o uso de rel s digitais com processamento por l gica e com seis entradas de corrente sendo tr s entradas para uma linha e tr s para a outra linha Al m da disposi o de configurador de l gica os rel s digitais permitem que se tenha um intervalo de coordena o menor que o rel eletromec nico podendo ser de
56. falta e da capacidade de interrup o das correntes de curto circuito dos equipamentos envolvidos de modo que n o cause maiores danos ou mesmo que interfira na opera o dos demais componentes do sistema A resposta deve ser r pida autom tica e causar o m nimo de transtorno poss vel A prote o el trica nao preventiva mas paliativa porque sua presen a n o elimina a possibilidade do defeito em ocorrer mas restringe os resultados danosos A prote o tem como fun o secund ria permitir que o tipo de falta e sua localiza o sejam rapidamente identificados O cap tulo em quest o ira tratar dos equipamentos usados para a prote o do sistema os tipos de prote o de barramentos existentes fazendo uma an lise a respeito de cada uma 2 2 A natureza da prote o As prote es est o preparadas para removerem de servi o algum elemento do sistema que est no momento operando de forma inadequada De modo geral rel s n o preveem falhas de equipamentos e nem que haver essa falha eles operam depois que detectam alguma anormalidade Logo o maior prop sito limitar dentro do poss vel maiores falhas a processos industriais consumidores a equipamentos e minimizar danos a pessoas e remover a falta o mais r pido poss vel Os dispositivos utilizados com a finalidade de detectarem anomalias e enviarem sinal de comando para a abertura e interrup o das faltas s o os rel s Os rel s a serem empregados dep
57. gura 4 1 Haver sempre corrente passante nos transformadores de corrente a atua o ou n o do rel depender do valor ajustado valor este com o objetivo de caracterizar a presen a de uma falta trif sica ou fase fase nos barramentos 66 Vem da SE6 Vemda SE4 NO Pe Q9 e SES 69kV Figura 4 3 Esquematico de atua o do 51DP para curto na barra Para um curto circuito fora da zona de prote o do rel 51DP as correntes nos n cleos secund rios dos transformadores de corrente se subtraem e a corrente resultante ser inferior ao valor de pick up ajustado impedindo que ocorra a atua o do rel 51DP que fica na SES como ilustrado na figura 4 4 67 SE6 69kV SE4 69kV SES 69kV Figura 4 4 Curto fora da zona de prote o do 51DP Com a aplica o da prote o 51DP nas barras de 69 kV do sistema ao inv s de se esperar a atua o do rel 67 ocorrer a atua o do rel diferencial parcial provocando a elimina o total da falta Ter se uma zona de prote o compreendida pelo barramento e pelo prim rio dos transformadores de pot ncia das subesta es conforme figura 4 5 68 SE6 SE4 69kV 69kV LT LT ee E epl LA OEM ou LON lt UW N9 N Cargas Cargas Figura 4 5 Zona de prote o do 51DP Al m das prote es f sicas e diferencial de transformador os transformadores de pot ncia de 69 kV das subesta es possuem prote o de sobrecorrente n o
58. has de transmiss o levando perda de todas as cargas da subesta o com barramento de 69 kV em falta que n o estivessem ligadas gera o interna como acontece hoje Essas perdas somam valores altos e causam muito tempo de parada para manuten o porque em muitas vezes ocorrem quebra de equipamentos que dever o ser substitu dos Com o prop sito de evitar ao m ximo o dano ao processo produtivo pensou se em tornar a proposta sugerida mais seletiva entendendo se por seletividade a m xima continuidade do servi o com a menor rea desconectada Para tal pensou se como primeira medida a abertura do disjuntor de interliga o para a separa o de barras e em seguida a abertura da linha faltosa confirmando o local de falta As figuras 4 6 e 4 7 ilustram o uso da prote o 51DP na abertura do disjuntor de interliga o separando a barra faltosa da barra s Os disjuntores em pontilhado encontram se abertos e os com linha cont nua fechados Na figura 4 6 o rel 51DP envia um sinal de abertura ao disjuntor de Interliga o de barras representado pelo numeral 2 de modo a isolar a parte s da parte em curto 70 Vemda SE6 Vem da SE4 I b 3 SES O9kV 2 Figura 4 6 Comando para abertura do disjuntor de interliga o Ap s o envio do sinal o disjuntor 2 permanece aberto cessando a contribui o ao curto para o barramento vindo da SE4 conforme ilustrado na figura 4 7 A corrente circulante no TC a corr
59. has de transmiss o na tens o de 69 kV Neste sistema a prote o das linhas de transmiss o feita por rel s diferenciais de fio piloto e a prote o dos barramentos em 69 kV feita por rel s direcionais de sobrecorrente A prote o adotada para os barramentos quando coordenada acarreta em elevados tempos de elimina o de faltas S o ent o estudadas alternativas de prote o dos barramentos que minimizam esses tempos de elimina o de falta apresentado um esquema de prote o que garante a redu o destes tempos com o m nimo de modifica es menores custos de instala o e um menor tempo de parada e redu o de produ o 111 Abstract An industrial electrical system is usually compound of a main substation that receives electrical power from the local electrical utility system and from other substations located in several industrial areas These substations are connected to the main one and to the others by transmission lines in multiple ring structures This topology is to enable greater operational reability of the electrical system In this work is studied an electrical power system that was built in 70 s decade with similar characteristics to the system mentioned earlier with the substations interconnected to main one by transmission lines in 69 kV voltage level In this system the transmission lines protection is made by pilot wire differential relays and the buses protection in 69 kV voltage level is made by A
60. igura 2 19 Prote o diferencial parcial de barras com rel de dist ncia 28 Figura 2 20 Diagrama unifilar de um sistema em anel e prote es direcionais 29 Figura 2 21 Diagrama unifilar de um sistema em anel com falta no ponto P 31 Feira Sol Sistema BIC Ur 1C Ose sas nai nora prada beatae Se dad ops Sp aa 34 Picurad 2 o1stemia Elenco interligado a C TE aaaisias Gosisiuretebiniotahiateiecelitl ces Do naia ss rate eaichate 35 Figura 3 3 Diagrama unifilar com localiza o dos rel s de sobrecorrente direcionais 36 Figura 3 4 Barramento simples SeCCIONACO cccsssesssssssseeeeeececcececceceeeaaaaeaseeseseeseeeeeeeeeeeees 39 Figura 3 5 Diagrama unifilar simplificado da SFA e eeeeeeeeeeeeeeererrreeaa 41 Figura 3 6 Diagrama unifilar simplificado da SE2 e e eeeeeeeeeeeeeeererrreeaa 42 Figura 3 7 Diagrama unifilar simplificado da SES ee e eeeeeeeeeeeeeerrrrreeeaca 43 Figura 3 8 Barra de transfer ncia e principal 0 0 00 ccsseesssececceceeeeeeseeececeeeeaeeeeseeeceeeeeeaaaeenees 44 Figura 3 9 Barramento em anel FONTE sorsien acest R EE 45 Figura 3 10 Desenho de barramentos da SE E sauna gas adgdca ni ieasa base io Rai Rs asa eles 46 Pisura Ss TIEAN B TE Za ria oO aa ai a Sa a 48 Fig ra Sl 2 ANIS SC A asas suctes diodo das es paginas aa dad du E fu adding 48 Peura Wl bo Few ANIS O O pd a ere o a 49 UU e AACS se ce
61. ionais sendo assim considerada uma prote o diferencial de barras com rel de sobrecorrente 20 Fonte DR E a l rr ee ftp e ue ie en oe e pp e o Ju aa lt EE E Ba Hii Ba i jo Mal ERA pm Bo mm RR Si HT B Go i L gta E q ai e md a e o io Da e o e Alimentadores Figura 2 11 Esquema de prote o diferencial de barras Fonte 23 Os m todos utilizados como prote o diferencial s o 31 57 e Prote o diferencial de barras com rel de sobrecorrente e Prote o diferencial de barras por porcentagem diferencial e Prote o diferencial de barras com acopladores lineares e Prote o diferencial de barras com rel de sobretens o e Prote o de barra de alta imped ncia A prote o diferencial de barras feita com rel s de sobrecorrente n o direcionais De acordo com 6 dado um elemento protegido a atua o se efetivar se na zona protegida houver uma falta de modo que o valor da corrente que chega ao TC de entrada seja diferente do valor indicado no TC de sa da O rel n o opera em condi o normal ou para faltas externas e opera para faltas internas ou seja faltas na regi o protegida J a prote o diferencial de barras feita por rel s de porcentagem diferencial ilustrada na figura 2 12 sendo muito utilizada em prote o de transformador motor gerador barramentos Ele se baseia na intera o de suas bobinas a de restri o e
62. ito e tamb m que a dire o da corrente seja tal que permita haver o somat rio de correntes que ir o para o rel de prote o Na figura 4 1 para o curto circuito na barra compreendida entre os dois transformadores de corrente h a atua o da prote o e a elimina o da falta 2 Figura 4 1 Esquem tico de atua o do 51DP padr o Fonte 23 Para uma falta fora da zona de prote o compreendida pelos dois transformadores de corrente n o haver a atua o da prote o porque o valor visto pelo rel inferior ao valor ajustado n o caracterizando falta no trecho protegido conforme ilustrado na figura 4 2 65 Vemda SE6 Vemda SE4 SES 69kV gt 52 52 2 Figura 4 2 Esquem tico de atua o do 51DP para curto na barra O esquema da prote o de sobrecorrente diferencial parcial proposto neste trabalho a ser implantado nas subesta es segue um princ pio parecido com o ilustrado na figura 4 1 a diferen a consiste no fato de que o somat rio das correntes ser feito a partir de transformadores de corrente existentes localizados nas chegadas das linhas de transmiss o de 69 kV utilizando n cleos de prote o secund rios que se encontram curto circuitados A figura 4 3 ilustra essa configura o para as duas linhas que alimentam a SES Analisando a figura percebe se que no rel h a somat ria das correntes passantes em cada linha no momento do curto circuito bem como ilustrado na fi
63. les GE IBC 55 6 IBC 33G arira a E eae TENA 12 Figura 2 6 Representa o de um TC de polaridade subtrativa s000ssessseeseeeeeeeeessssssssssss 15 Figura 2 7 Representa o esquem tica de um TC de polaridade subtrativa em unifilar 15 Figura 2 8 Representa o de um TC de polaridade aditiva cc ccesseseeeseeeeeeeeeeeeeeeeees 16 Figura 2 9 Representa o esquem tica de um TC de polaridade aditiva em unifilar 16 Figura 2 10 Curvas de satura o de TCs de medi o e prote o ssssseeessssssssseerrsssssssse 17 Figura 2 11 Esquema de prote o diferencial de barras eeeeeeeesssssssssssssseeeeerrersssssssssssss 20 Figura 2 12 Esquema de prote o diferencial percentual neeeeeeesssesssssssssseeeeerrreessssssssssss 21 Figura 2 13 Curva caracter stica de opera o do rel diferencial percentual 22 Figura 2 14 Prote o diferencial de barras com acopladores lineares cccceeeeeeeeeeeeees 23 Figura 2 15 Prote o diferencial com rel de sobretens o eeeeeeessesssssssssseeeeerrreressssssssss 24 Figura 2 16 Prote o de barra de alta imped ncia ssnoennesesssssoeerssssssssserrrssssssssceresssssseses 29 Figura 2 17 Prote o diferencial parcial de barras com rel de sobrecorrente modelo 1 26 Figura 2 18 Prote o diferencial parcial de barras com rel de sobrecorrente modelo2 27 F
64. lgumas fun es de prote o Fonte 28 Disjuntor 52 O dim Rel de detec o de terra sobretens o terra Rel de sobrecorrente direcional de fase Rel de sobrecorrente direcional de terra Rel de bloqueio Rel de prote o diferencial de fase 2 3 2 Rel s Os rel s eletromec nicos baseiam se nas teorias eletromagn ticas possuindo entradas de corrente e tens o ou um ou os dois Os rel s modelo IBC IBCG fabricados pela GE s o exemplos de rel s indicados para prote o de sobrecorrente direcional de fase e terra respectivamente possuindo unidades temporizada e instant nea e s o utilizados nas prote es do sistema el trico estudado neste trabalho Por ser um rel eletromec nico o modelo a ser escolhido depende do tipo de curva que se quer usar a ie Ta er tee etd area e usted fed GE SS O Figura 2 5 Rel s GE IBC 53 e IBC 53 G Fonte 40 13 Tabela 2 2 Indica o de modelo como tipo de curva de tapes Fonte 40 Familia de Caracteristica tempo corrente Tapes da unidades temporizadas modelos IBC 51 Tempo inverso IBC 52 IBC 53 oe Tempo muito inverso IBC 54 IBC 77 Tempo extremamente inverso IBC 78 Al m dos tapes de unidade de sobrecorrente temporizada ainda ha os valores para unidade Instant nea podendo selecionar duas unidades tipo armadura articulada com suas pr prias bandeirolas de sinaliza o Logo para se obter um rel eletromec nico precisa
65. m rel de sobretens o Fonte 23 Algumas bibliografias tratam a prote o diferencial de barras com rel s de sobretens o por prote o de barra de alta imped ncia justamente porque ao inv s de medir a corrente passa se a medir o valor da tens o Sendo assim a mesma prote o por m com denomina es diferentes O esquema utilizado o mesmo que da prote o diferencial com rel s de sobrecorrente mas aqui a id ia contornar o problema da satura o causada pelo TC quando submetido a elevadas corrente de falta A figura 2 16 ilustra o esquema dessa prote o Nela percebe se que h uma fun o de prote o 87L que na verdade um rel de sobretens o em um circuito LC ressonante na frequ ncia de 60Hz evitando a atua o da prote o para defeitos fora da barra mesmo que algum TC venha a saturar 25 Figura 2 16 Prote o de barra de alta imped ncia Fonte 8 No momento em que h falta na barra a tens o entre os terminais ab fica elevada garantindo a atua o do rel diferencial mas utiliza se o rel 87H para agilizar a atua o da prote o O tiristor em s rie com ele protege o 87H de sobretens es no momento do curto O rel 87H atua para faltas em at dois ciclos e o 87L atua para um intervalo de tr s a seis ciclos Muitos consideram a prote o diferencial parcial como uma varia o da prote o diferencial por utilizar a diferen a de correntes O ponto que as distingue e que neste
66. melhoria 62 4 ESTUDO PARA REDUCAO DO TEMPO DE ELIMINACAO DE FALTAS EM BARRAMENTOS INTERCONECTADOS EM ANEIS MULTIPLOS 4 1 Introdu o Os barramentos de 69 kV das subesta es de distribui o das reas industriais do sistema el trico n o possuem uma prote o dedicada sendo a sua prote o principal a prote o de back up das linhas de transmiss o feita por rel s de sobrecorrente direcionais 67 e 67N A escolha de uma prote o de barramentos deve ser feita em conjunto com a criticidade e Import ncia do sistema a ser protegido Tratando se de um sistema el trico industrial com grandes m quinas e equipamentos de grande porte n o sendo portanto itens de prateleira torna se prioridade o estabelecimento de uma filosofia de prote o condizente com sua import ncia e dimens o Al m disso sua franca expans o com implanta o de novas unidades produtoras e requerendo uma confiabilidade e competitividade cada vez maior devido elevada concorr ncia de produtos tanto no mercado interno quanto externo falhas de prote o ou demora em sua atua o podem comprometer as instala es el tricas em propor es elevadas acarretando preju zos e perdas de produ o por meses A partir desse ponto viu se a necessidade de uma an lise mais cr tica e detalhada da filosofia de prote o que se tem hoje e da que se deseja Sendo as faltas trif sicas e fase fase de valores de corrente mais elevados em rela o as falt
67. mente uma linha SE1 SE2 Percebe se que para o sistema em sua topologia normal ou seja tr s linhas interligadas s SE2 e a SEI com os tr s transformadores de pot ncia em paralelo o tempo total de elimina o do defeito ser de 1 12s Tabela 3 1 Valores de elimina o de curto circuito 3F nas barras de 69 kV da SE2 LINHA E PROTE O DE RETAGUARDA E 3900 25 22 SEE SE SEI SES Es 349 75 10 0 ere E EEE SE5 SE4 4229 18 Er oo SE1 SED 7 52 Se4563 E RECE RE ee no MEAE E E importante ressaltar que para a elimina o do curto circuito utilizando a filosofia de prote o feita por rel de sobrecorrente n o direcional como a prote o principal dos barramentos de 69 kV necess rio que ocorra a abertura de todas as linhas de transmiss o que alimentam a subesta o em que h o defeito impedindo a alimenta o da falta Assim como para a SE2 pode se perceber na tabela 3 2 para a SE3 em que h primeiro a abertura da linha SE4 SE3 em 0 67s e ap s isso a abertura da linha SE2 SE3 com a elimina o total do curto circuito Deve se levar em considera o que o sistema pode estar fora de sua configura o original no momento do curto circuito o que retratado considerando somente uma linha de transmiss o SE1 SE2 em opera o Situa es como essas permitem que o sistema opere alimentando as suas cargas mesmo com linhas fora de opera o sejam para servi os de manobra operacional ou manute
68. mula es de fluxo de pot ncia e curto circuito para cada SE para se saber os valore de corrente corretos em cada barra e a contribui o de cada linha de transmiss o Um quadro comparativo com as redu es dos tempos de elimina o de faltas mostrado a seguir na tabela 4 1 Tabela 4 1 Comparativo entre os tempos de elimina o de falta trif sica e fase fase Tempo 6 Tempo L gica SES 79 59 Poucas altera es nas subesta es pouca redu o de parada de produ o para implementa o da solu o menor custo menor tempo de elimina o da falta e melhor confiabilidade s o fatores importantes que se faz adotar um rel com seis entradas de corrente 76 4 3 Conclusao A solu o proposta como melhoria para a prote o dos barramentos de 69 kV conectados em an is m ltiplos permitir que o sistema se adeque aos requisitos de uma prote o sendo seletivo sens vel r pido simples e econ mico T1 5 CONCLUS ES E PROPOSTAS DE CONTINUIDADE 5 1 Introdu o Este cap tulo tem como objetivo fazer um comparativo entre o modelo de prote o existente e o modelo proposto por essa disserta o apresentando os pr s da melhoria proposta al m de apresentar propostas de continuidade 5 2 Conclus es Como visto neste trabalho o esquema de liga o por compara o direcional de coordena o trabalhosa especialmente em sistemas malhados como o caso do SEP analisado No
69. n o Devido a esse sistema industrial se localizar em regi o com grande quantidade de part culas s lidas em suspens o limpezas de isoladores e outros equipamentos s o frequentes levando a abertura de linhas e barramentos de 69 kV Por o sistema ser em anel essas opera es n o acarretam em perda de produ o mas deve se ter uma aten o especial ao sistema em sua coordena o para a imin ncia de uma falta quando fora de sua topologia normal como mostrado na tabela 3 2 a seguir Tabela 3 2 Valores de elimina o de curto circuito 3F nas barras de 69 kV da SE3 PROTE O LINHA x LINHA CORRENTES DE CURTO CIRCUITO PROTE O DE RETAGUARDA PRINCIPAL DE PARA s DE PARA VALOR CONTRIBUICOES TEMPO CORRENTE TEMPO SE3 755261 same Ses SE U SD SE DT TT rss 14 ses Ap s a abertura da linha SE4 SE3 495012 SE 00 seese se 246 15 SEISE Eco l la ser oo ssa Com somente uma linha SE1 SE2 em opera o PROTE O LINHA LINHA CORRENTES DE CURTO CIRCUITO PROTE O DE RETAGUARDA PRINCIPAL DE PARA DE PARA VALOR CONTRIBUI ES TEMPO CORRENTE TEMPO CURTE T TAL A AS ee arms sea 74573 2213 14 SE2 SE3 2194 14 SE1 SE2 5148 3 SE4 SE3 4572 34 5E1 5E4 Apos a abertura da linha SE4 SE3 ce3 458195 4404 0 SE2 SES 4377 04 SE1 SE2 O se oo seses ser oo sega Com somente uma linha do trecho SE1 SE2 em opera o toda a corrente de curto circuito que antes se dividia em duas linh
70. ns o al m de danos aos barramentos Na figura 2 17 mostrada uma configura o que proporciona uma elimina o mais r pida de faltas em barramentos que utilizado a partir de uma configura o de transformadores de corrente com rel s de sobrecorrente n o direcionais cuja finalidade eliminar as faltas em barramentos mais rapidamente evitando instabilidade do sistema e danos aos barramentos Essa configura o encontrada em todos os barramentos de 4 16 kV e 13 8 kV das subesta es deste trabalho e recebe o nome de sobrecorrente diferencial parcial n o direcional mais conhecida como 51DP Esse esquema opera a partir da soma das correntes nos transformadores de corrente atuando somente para faltas nos barramentos e como retaguarda de faltas nos alimentadores 27 Uma outra forma de se conseguir essa mesma prote o ilustrada na figura 2 18 Rel de sobrecorrente Cargas Figura 2 18 Prote o diferencial parcial de barras com rel de sobrecorrente modelo2 Fonte 13 Um rel de sobrecorrente instalado nas chegadas das linhas de transmiss o ao barramento da subesta o e a somat ria das correntes passantes utilizando o m todo da polaridade subtrativa assim como no modelo 1 ilustrado na figura 2 17 com valor de corrente acima do valor de pick up esse rel detecta a exist ncia de um curto no barramento enviando sinal de abertura aos disjuntores de chegada das linhas de transmiss o isolando o def
71. nuten o Nas subesta es deste trabalho podem ser encontrados tr s tipos de arranjos s o eles e Barramento Simples Seccionado Inclui um disjuntor de barra ou disjuntor de paralelo ou tamb m denominado disjuntor de Interliga o e com este arranjo h a perda dos circuitos alimentadores instalados no lado da barra defeituosa O seccionamento de barra melhora a continuidade do servi o porque em caso de falha somente o lado afetado desligado Esse seccionamento de barras feito pelo disjuntor de interliga o permite uma maior flexibilidade de manobras e uma maior confiabilidade operacional 39 Como vantagens podem se citar a maior continuidade do fornecimento de energia maior facilidade de manobras para a manuten o e em caso de falha desligada somente a rea afetada Esse arranjo indicado para funcionar com duas ou mais fontes de energia porque na perda de uma barra a outra fica alimentada por outra fonte Caso n o haja essa op o o funcionamento como se fosse um barramento simples e h perda de todos os circuitos de carga na presen a de um defeito A figura 3 4 ilustra esse modelo Nela h a entrada na subesta o de duas linhas de transmiss o em barras separadas por um disjuntor de interliga o Em opera o normal o disjuntor de interliga o permanece fechado sendo a subesta o suprida por duas linhas de transmiss o simultaneamente Na aus ncia de uma das linhas tendo a outra capacidade
72. o com altera es de virtude de manuten o do sistema quase que diariamen ajustes em virtude das modifica es de topologia do sistema Solu es como a 87B podem ser implementadas Pa que se fa a amplia o civil nas subesta es acarretando parada do processo produtivo Solu o pode ser mplementada com menor custo e parada de Para se definir os ajustes de a andas lena ERN direcional de sobrecorrente despende se de elevado Redu o do mimero de RR di E tornando o tempo com muitas simula es do SEP para cada configura o rab ficien do sistema Elimina o da falta passa a ser seletivo com abertura somente do trecho defeituoso demando em funcionamento grande parte do processo produtivo A atua o correta da prote o causa desenergiza o completa de todos os barramentos em 69kV das SEs 5 3 Propostas de Continuidade Durante o processo de an lise de novas alternativas foram estudadas as configura es dos rel s digitais dispon veis no mercado Algo que chama a aten o que ainda se precisa especificar o tipo de prote o que se quer para se definir ao certo um rel mas muitos possuem a op o de montagem l gica que j permite configurar v rias caracter sticas do sistema que antes eram feitas por atua o de contatos Percebeu se tamb m que alguns equipamentos possuem o processamento de medi o melhor que outros sendo assim a concep o de equipamentos de prote o em que se
73. obrecorrente A B C D e E al m do rel de sobrecorrente que fica no disjuntor 31 1 percebam a corrente de falta O mesmo acontece para a corrente IP que far com que o rel de sobrecorrente direcional f e o de sobrecorrente 2 percebam a falta no ponto P Pela an lise das tabelas 2 3 e 2 4 o rel que fica no disjuntor E atuar primeiro para a corrente I P e o rel que fica no disjuntor em f atuar primeiro para a corrente IP fazendo com que se tenha abertura de dois disjuntores isolando o ponto de falta Figura 2 21 Diagrama unifilar de um sistema em anel com falta no ponto P Por serem rel s direcionais os rel s que ficam nos disjuntores a b c d e e n o perceber o a corrente de falta PP O mesmo para o rel que fica no disjuntor F que n o perceber a corrente de falta IP independente de seu valor Um outro inconveniente dos rel s direcionais como prote o de barramentos que para um curto circuito trif sico na barra a tens o cai a zero prejudicando a opera o da prote o de sobrecorrente direcional de fase Por isso que no sistema el trico estudado esses transformadores de potencial ficam nas linhas de transmiss o de 69 kV 32 2 5 Conclusao Neste capitulo foi feita uma revis o bibliogr fica dos equipamentos prote o que ser o tratados ao longo deste trabalho como transformadores de corrente rel s e os tipos de prote o de barras existentes e suas caracter sticas principalmente a
74. ois verificou se se esses valores encontrados eram condizentes com as v rias opera es a que o sistema fica submentido Como mostrado anteriormente no caso da SE2 deve se efetuar constantes trocas de dial de tempo quando em opera o somente com uma LT SE1 SE2 Para o caso dos transformadores fez se o mesmo lembrando que al m dos rel s de sobrecorrente n o direcionais localizados no secund rio dos TRs 1 2 e 3 ainda h os rel s de sobrecorrente n o direcionais da concession ria localizados em subesta o n o administrada pela ind stria em quest o Logo deve se preocupar que uma falta no sistema industrial n o acarrete em retirada das linhas de transmiss o da concession ria lesando outros consumidores que tamb m dependem dela Os resultados comparativos de tempo de abertura da prote o para o sistema com dois TRs e com tr s mostrado na tabela 3 6 58 Tabela 3 6 Tempos de elimina o de curto trif sico SEs 2 4 6 e 10 Com 3 THs Com TRS Local do curto Local do rel Tempo s SE1 SE2 Barra de 69k na SE Secund rio dos TRs na SE1 LTs da concession ria SE1 SE4 Barra de 69k na SE4 Secund rio dos TFRs na SE th LTs da concession ria SE1 SE6 Barra de bok na SEG Secund rio dos TRs na SE1 LTs da concession ria SE1 SE10 secundaria dos TRs na SE LTs da concession ria Barra de bok na SEI Ap s abertura da SEG SE1U e 5E9 5E10 SE1 SE10 Secund rio dos TRs na SEI 3 25 LTs da concession ria 2
75. ormente A opera o normal consta com os tr s transformadores de 100 133 MVA 138 69 kV trabalhando em paralelo No desenho h duas interligagdes com a central termel trica permitindo que a energia gerada em 13 8 kV seja enviada para o n vel de 69 kV a fim de atender uma quantidade maior de cargas A SE2 possui duas linhas de transmiss o em conex o com a SEI denominadas de LT e LT2 As demais subesta es SE4 SE6 e SEIO possuem apenas uma linha cada vinda da SEL 46 CONCESSIONARIA l i sm ANEL DE 138 kV r Et HEF TR 01 TR 0 TR 03 1133 MYA 100 133 MYA 11w01 MYA 149 KY 149 Ev Loo EV Es Hyr r pe sew ere see 5 o ses conmensso rumo ser Figura 3 10 Desenho de barramentos da SE1 Esse item teve como objetivo mostrar as configura es das subesta es a partir de diagramas unifilares simplificados de forma a elucidar o sistema estudado Com isso pode se concluir que as subesta es possuem caracter sticas diferentes dependendo do processo a que atendem A prote o de barras do anel de 138 kV da SEI a prote o diferencial parcial e das barras de 69 kV da mesma subesta o a prote o diferencial percentual Ser tratado a seguir a prote o dos barramentos de 69 kV das demais subesta es de distribui o das reas industriais prop sito desse trabalho 47 3 5 Prote o dos barramentos em an is m ltiplos em 69 kV Os estudos de curto circuito s o
76. pesar de ter havido a eleva o do dial de tempo esperando se que houvesse um aumento no tempo de interrup o houve a abertura de uma linha modificando a matriz de imped ncias e elevando a corrente de curto circuito passante em somente uma linha deixando o valor de abertura igual ao com funcionamento com duas linhas de transmiss o e dial de tempo 2 J o tempo de elimina o de faltas para a opera o normal passa de 0 65s para 1 0s para a abertura das duas linhas SE1 SE2 elevando ainda mais o tempo total de elimina o da falta passando de 1 12s para 1 47s Assim o dial de tempo deve ser alterado para o sistema operando com somente uma linha SEI SE2 e dever voltar ao seu valor original quando em funcionamento normal Isso leva a um grande retrabalho das equipes de opera o manuten o e prote o SE 1 Figura 3 16 SE2 com somente uma linha de transmiss o 56 Tabela 3 3 Valores de atua o frente a curto circuito no barramento de 69 kV da SE3 altera o de dial de tempo Com somente uma linha 5E1 SE 2 em opera o altera o de ajuste 5E1 5E2 PROTE O x LINHA PROTE O DE RETAGUARDA DE PARA CORRENTES DE CURTO CIRCUITO PAL VALOR CONTRIBUI ES TEMPO CORRENTE TEMPO LIF curo romni n oF 3 7457 36 2213 14 SE2 SE3 SE1 2194 14 SE1 SE2 iii SE4 51483 0 65 SE4 SE3 SE1 4572 34 1 46 SE1 SE4 SEM 065 SEASE3 SEI 457234 146 SEISE4 Ap s a abertura da linha SE4 SE3 e gee SEZSE3 SE
77. s Tabela 2 1 Lista de algumas fun es de prote o sssssseoeenesssssssecerrsssssssscceressssssssererssssss 12 Tabela 2 2 Indica o de modelo como tipo de curva de tapes cc ceeeessececceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeaas 13 Tabela 2 3 Ajuste dos rel s de prote o direcionais a partir do disjuntor 1 30 Tabela 2 4 Ajuste dos rel s de prote o direcionais a partir do disjuntor 2 ccccceeeeeees 30 Tabela 3 1 Valores de elimina o de curto circuito 3F nas barras de 69 kV da SE2 53 Tabela 3 2 Valores de elimina o de curto circuito 3F nas barras de 69 kV da SE3 54 Tabela 3 3 Valores de atua o frente a curto circuito no barramento de 69 kV da SE3 altera o desdial de tempo as Gsardana rasa ssa o aa si Eae EEA AEA arara quais 56 Tabela 3 4 Efeitos de altera o de dt SEI SE2 para curto circuito 3F na SE2 56 Tabela 3 5 Tempo de elimina o de curto circuito trif sico nas barras de 69 kV das SEs 56 Tabela 3 6 Tempos de elimina o de curto trif sico SEs 2 4 6 e LO ceseeeeeeeeeeeeeeees 58 Tabela 3 7 Valores de elimina o de curto circuito 3F nas barras de 69 kV da SE4 com ILT EE A NPR NA RREO ARRAIS NERI ERRAR RR RR RR RP 60 Tabela 3 8 Valores de elimina o de curto circuito 3F nas barras de 69 kV da SE4 com 2LTs PENE EE LTS a Da O DO Pa PR 60 Tabela 3 9 Tempos de elimina o de curto trif sico SE4 cccc err
78. s disjuntores 1 e 2 s o somente de sobrecorrente podendo atuar para qualquer direcionalidade Figura 2 20 Diagrama unifilar de um sistema em anel e prote es direcionais Nesta mesma figura ha disjuntores denominados A B C D E F e a b c d e f que fazem a prote o de barramentos Atuam sobre cada disjuntor rel s de sobrecorrente direcionais 30 As tabelas 2 3 e 2 4 mostram os tempos de atua o desses rel s em fun o de suas direcionalidades Na tabela 1 percebe se que o rel que fica no disjuntor F possui o menor tempo de atua o e o rel que fica no disjuntor 1 possui o maior para uma falta em que a dire o de corrente de curto vai do disjuntor 1 ao F passando pelos A B C De E Tabela 2 3 Ajuste dos rel s de prote o direcionais a partir do disjuntor 1 T T T T T B TB os D TD _ 66 99 Pela an lise da figura 2 21 percebe se que o rel que fica no disjuntor a possui menor tempo de atua o e que o rel que fica no disjuntor 2 possui o maior para correntes de falta que possuem a dire o vinda do disjuntor 2 passando pelo f e d c b e a Tabela 2 4 Ajuste dos rel s de prote o direcionais a partir do disjuntor 2 ff Ff 3 Ta lt Tb lt Te lt Td lt Te lt Ti lt T2 Suponha que ocorra uma falta no ponto P ilustrado na figura 2 20 Esta falta ser alimentada por correntes vindas de duas dire es PP e IP A corrente IPP far com que os rel s direcionais de s
79. s tempos de elimina o de faltas por esse tipo de prote o em anel requerendo que alguma altera o de filosofia seja implantada A defini o dos ajustes a serem implantados em cada rel demanda elevado tempo da equipe de prote o devido ao elaborado estudo de coordena o e grande trabalho computacional com simula es para diversas configura es do sistema Para um curto circuito trif sico na SE2 cujos valores s o retratados na tabela 3 1 pode se entender o trabalhoso processo de coordena o desse sistema industrial com uso de rel s de sobrecorrentes direcionais A SE2 sendo alimentada por duas linhas de transmiss o vindas da SEI e uma vinda da SE3 precisa que os rel s existentes nas extremidades dessas linhas operem no menor tempo poss vel eliminando uma falta fase fase nos barramentos de 69 kV 53 Os valores de corrente de curto circuito bem como o tempo de atua o da prote o principal e o tempo de resposta da prote o de retaguarda s o mostrados na tabela 3 1 Os primeiros rel s a operarem s o das linhas SE1 SE2 com sua abertura obt m se um novo valor de corrente de curto circuito devido altera o da matriz de imped ncias do sistema 36 e um novo tempo para a abertura da linha SE3 SE2 e a elimina o total do defeito sendo a soma total desses tempos Na tabela tamb m mostrado o tempo de resposta da SE1 com tr s transformadores de pot ncia em opera o e para o caso de conting ncia com so
80. sobrecorrente direcional oposta ao fluxo de pot ncia sendo uma outra forma de prote o para as m quinas da central termel trica SE2 69kV g a p OO ee _ 13 8kV ___ SE4 roa A SE10 DA es k 13 8kV ai i aes a a 138kV cs SES SE6 OF T a Sei 13 8kV 13 8kV Figura 3 3 Diagrama unifilar com localiza o dos rel s de sobrecorrente direcionais Percebe se que na SEI h um rel de sobrecorrente direcional para cada transformador com sentido para a concession ria local de modo que as unidades geradoras do sistema industrial estudado n o tentem alimentar a carga da concession ria 37 Os rel s de sobrecorrente direcionais atuam como prote o de retaguarda para a prote o das linhas de transmiss o e tamb m como prote o principal para faltas nos barramentos de 69 kV das subesta es da rea industrial o que ser tratado mais adiante 3 3 Geracao Interna Al m de receber energia da concession ria local o sistema el trico estudado possui um sistema de gera o Interna composto por geradores que produzem energia el trica a partir da queima de gases oriundos do pr prio processo industrial A energia obtida na tens o de 13 8 kV e transportada s subesta es das reas industriais onde s o abaixadas para o n vel de tens o de 4 16 kV e assim conectada aos demais barramentos que recebem energia da concession ria principal As carg
81. tiplos e modelagem do sistema el trico estudado a fim de se obter simula es de fluxo de pot ncia curto circuito e coordena o e seletividade com foco em sistemas de prote o Este texto foi dividido em seis capitulos da seguinte forma No capitulo 2 feita uma revis o bibliografica sobre os sistemas de prote o ou seja elementos imprescind veis para o bom funcionamento do sistema como os rel s as fun es de prote o que ser o tratadas neste trabalho redutores de medidas os modelos de prote o de barras existentes e suas caracter sticas O cap tulo 3 modelado o SEP a ser estudado neste trabalho com foco na filosofia de prote o atual abrangendo de forma sucinta a prote o de barramentos O intuito desse cap tulo mostrar a filosofia de prote o adotada nesse sistema industrial de forma a tornar claro ao leitor os motivos que levaram a se pensar em uma melhoria na filosofia de prote o dos barramentos de 69 kV No cap tulo 4 apresentada a melhoria proposta no contexto do sistema el trico atual e futuro e suas caracter sticas No cap tulo 5 s o apresentadas as conclus es finais e propostas de continuidade No cap tulo 6 est o as refer ncias bibliogr ficas 2 SISTEMAS DE PROTECAO 2 1 Introdu o A energia el trica deve estar dispon vel ao consumidor final na tens o e frequ ncia adequadas e na quantidade que ele precisa Para que seja assim necess rio haver planejamento
82. trifasicas Os valores das correntes de curto circuito s o importantes para se efetuar os estudos de prote o de forma coordenada A figura 3 11 trata os primeiro e segundo an is Pode se perceber que s o formados pelas mesmas subesta es mas foram assim separados porque por serem rel s direcionais preciso avaliar os efeitos das correntes de curto circuito em um sentido e no outro Logo o anel 2 o espelho do anel 1 por m em outra dire o O mesmo foi feito para os demais an is sendo 48 anel 3 e 4 anel 5e 6 anel 7e 8 Mesmo ocorrendo essa separa o percebe se que uma subesta o pode estar presente em outros an is necessitando que um valor de ajuste deva ser analisado em outro grupo para poder ser validado As figuras 3 11 3 12 3 13 e 3 14 trazem a configura o desses an is m ltiplos Figura 3 11 An is 1 e 2 A figura 3 11 traz a configura o dos an is e 2 incluindo a direcionalidade sendo anel 1 com direcionalidade SE1 SE4 SE5 SE6 e anel 2 com direcionalidade SEI SE6 SES5 SE4 Figura 3 12 An is 3 e 4 49 A figura 3 12 traz a configura o dos an is 3 e 4 sendo anel 3 com direcionalidade SE1 SF4 SE3 SF2 e anel 4 com direcionalidade SEI SE2 SE3 SE4 Figura 3 13 An is 5 e 6 A figura 3 13 traz a configura o dos an is 5 e 6 sendo anel 5 com direcionalidade SE1 SE10 SE8 SE7 SE6 e anel 6 com direcionalidade SE1 SE6 SE7 SE8 se10 Figura 3 14 An is 7
83. uhiplos da corremte nominasi s Figura 2 1 Curva caracter stica tempo x corrente t pica de disjuntores Fonte 25 Os fus veis possuem uma interrup o que acontece pelo rompimento do elo fus vel na ocorr ncia de elevados n veis de corrente e s o respons veis por detectar a falha e interromper a corrente A combina o de disjuntores e rel s permitem a detec o e elimina o de uma grande variedade de falhas n o somente sobrecorrente por isso sendo amplamente utilizados A aplica o de fus veis muito utilizada em instala es industriais porque em geral a anormalidade que provoca o r pido desligamento do aparelho a sobrecorrente que pode ser representada por curto circuito ou sobrecarga e a utiliza o do conjunto disjuntor rel n o justific vel economicamente Os rel s de prote o s o utilizados para detectar os falhas a que o sistema fica exposto Pode se dizer que a principal fun o de um rel de prote o eliminar os efeitos de curtos circuitos e outros tipos de falhas de modo a reduzir danos em equipamentos pessoas garantir a estabilidade do sistema e a segunda permitir a localiza o e a identifica o do tipo de defeito A figura 2 2 ilustra um conjunto disjuntor rel TP Figura 2 2 Conjunto Disjuntor Rel O para raios outro equipamento de prote o largamente utilizado no sistema industrial Possuem a fun o de descarregar para a terra as correntes transit
84. usados para dimensionar diversos componentes do sistema que ficam sujeitos s solicita es din micas e t rmicas das elevadas correntes de falta dimensionar disjuntores que abrir o eliminando a falta coordenar o sistema de prote o entre outros Os tipos de faltas dependem do aterramento do sistema estudado As faltas mais comuns com a frequ ncia de ocorr ncia s o 58 e Falta trif sica terra com ou sem terra 3F or 3F G 8 e Falta a terra F G 12 e Dupla falta falta bifasica F F G 10 e Falta a terra F G 70 Tratando se de um sistema composto por dez subesta es totalmente interligadas foi feita sua divis o em oito an is para que se pudesse efetuar as simula es e estudos da prote o Por ser em anel o tempo de coordena o de um rel de sobrecorrente direcional interfere no tempo de atua o do rel de sobrecorrente direcional pertencente ao outro anel fazendo com que a coordena o da prote o seja complexa al m de acarretar em elevado tempo de elimina o de faltas trif sicas fase fase e fase terra Para se definir os ajustes de cada rel direcional de sobrecorrente existente no anel de 69 kV necess rio um estudo de fluxo de pot ncia para se saber o valor da corrente passante em cada linha de transmiss o e sua direcionalidade Al m das simula es de fluxo de pot ncia s o feitas simula es de curtos circuitos tanto para faltas fase terra quanto para faltas
85. va se saber exatamente os valores que se ajustaria porque cada modelo possui a sua curva caracter stica Al m desse fato esses rel s s o monof sicos ou seja um por fase Se houver interesse em colocar rel de sobrecorrente nas fases A Be C deve se dispor de tr s rel s id nticos al m de um outro para falta terra Com o advento da tecnologia os rel s eletromec nicos foram sendo substitu dos por rel s eletr nicos ou est ticos e mais para frente por rel s digitais os mais utilizados atualmente Em rela o aos rel s eletromec nicos os rel s digitais permitem que se tenha uma grande variedade de fun es e curvas de prote o para as tr s fases de um sistema trif sico em um nico equipamento algo imposs vel com os rel s eletromec nicos Esta caracter stica permite que os intervalos de coordena o sejam reduzidos resultando em uma elimina o mais r pida do defeito Associado a isso h tamb m sistema de medi o de corrente e tens o configura es para registro de oscilografias e configura o de prote o por l gica 2 3 4 Transformadores para Instrumentos Os transformadores para instrumentos s o usados com a finalidade de reduzir correntes e tens es a valores economicamente manipul veis em rel s de prote o medidores e outros aparelhos de instrumenta o de modo a proporcionar isolamento entre o circuito de alta 14 tens o e os Instrumentos garantindo seguran a pessoal A re

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