Proteção do Sistema Elétrico de Potência1

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Proteção do Sistema Elétrico de Potência
Cristiano de Moura Borges
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
Unidade 1 – Introdução à proteção dos sistemas elétricos 
Seção 1.1
Filosofia da proteção de sistemas elétricos
Seção 1.2
Característica de operação dos relés
Seção 1.3
Transformadores de instrumentação
(TC e TP) e disjuntores de potência
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Unidade 2 – Proteção dos sistemas de transmissão
Seção 2.1
Proteção de transformadores
Seção 2.2
Proteção de linhas de transmissão (LT)
Seção 2.3
Proteção de geradores e barramentos
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
Unidade 3 – Proteção dos sistemas de distribuição
Seção 3.1
Equipamentos de proteção das redes primárias de distribuição
Seção 3.2
Principais relés empregados na proteção das redes de distribuição primárias
Seção 3.3
Coordenação da proteção das redes de distribuição primárias
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
Unidade 4 – Cálculo de curtos-circuitos em sistemas de transmissão e distribuição
Seção 4.1
Componentes simétricas e teorema de Thévenin
Seção 4.2
Curto-circuito simétrico
Seção 4.3
Curto-circuito assimétrico
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	O consumo de energia elétrica está atrelado ao grau de crescimento econômico de um país. 
	Composto por infraestruturas avançadas de geração, transmissão e distribuição 
	Devido a sua complexidade operativa, o sistema elétrico está sujeito à ação de diversas perturbações.
	curtos-circuitos
		estado de operação caótico e de difícil controle.
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	Uma pane geral do sistema elétrico pode custar algumas dezenas de milhões de reais, dependendo do tempo em que o sistema permanecer inoperante, e afetar milhões de consumidores. 
	Impacto econômico e social pode ser, portanto, considerável.
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	Visando mitigar as consequências dessas perturbações, os sistemas de proteção surgem como elementos-chave para a garantia da continuidade do fornecimento de energia, assim como para a segurança dos equipamentos que compõem o sistema elétrico.
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	É primordial resguardar o sistema elétrico contra perturbações que prejudiquem sua correta operação. 
	Entende-se como perturbação todo efeito elétrico pernicioso que possa comprometer a operação do sistema, nesse caso, o curto-circuito, também denominado de falta, encabeça a lista das piores perturbações.
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	Requisitos básicos do sistema de proteção
sensibilidade, seletividade, velocidade, confiabilidade, disponibilidade e
segurança
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	A função do sistema de proteção é provocar a remoção imediata de
operação dos elementos acometidos por curtos-circuitos, assim como dos
elementos que operam de modo anormal, interferindo na operação do
sistema elétrico como um todo.
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	Qual a estrutura básica de um sistema de proteção e quais dispositivos a representam?
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	Primeiramente, é necessário mensurar os sinais de corrente e tensão do sistema elétrico. 
	Não é possível lidar diretamente com sinais do sistema de alta tensão e.g., os de uma linha de transmissão de 500 kV. 
	Transformadores de instrumentação de corrente (TC) e de potencial (TP). 
Os sinais oriundos dos TCs e TPs são enviados aos elementos centrais do sistema de proteção: os relés digitais. 
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	 O papel desempenhado por esses dispositivos é inferir se os sinais oriundos desses transformadores estão correlacionados com potenciais curtos-circuitos nos elementos do sistema elétrico. Os dados oriundos dos relés são tratados e processados por uma ferramenta computacional denominada Supervisório de Controle e Aquisição de Dados – SCADA 
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	 Em proteção do Sistema Elétrico de Potência, como se pode definir o software SCADA?
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	 Os disjuntores são dispositivos de atuação que asseguram que cada gerador, transformador de potência, barramento, linha de transmissão, etc. possam ser desconectados do sistema, uma vez que um dado relé dê o comando para tal desligamento evidenciando que TCs, TPs, relés, SCADA e disjuntores trabalham em conjunto para minimizar os efeitos do curto-circuito e maximizar a qualidade dos serviços.
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	 Outro dispositivo pode ser empregado para mitigar um curto-circuito, o fusível de proteção. 
	Empregados em subestações de transmissão somente quando o binômio relé-disjuntor não é economicamente justificável. 
	Amplamente utilizados no âmbito da distribuição, tanto na proteção de equipamentos em subestações quanto na proteção da rede primária.
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Falhas no sistema elétrico
	Todo sistema elétrico está sujeito a falhas. 
	Fenômeno elétrico que gera perturbações no sistema, podendo levar a um estado crítico de operação. 
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Falhas no sistema elétrico
	 Várias são as falhas: 
instabilidades de tensão, 
instabilidades de frequência, 
sobrecargas e 
curtos-circuitos. 
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Falhas no sistema elétrico
	 Enfoque especial: 
	Curto-circuito – perturbação elétrica causada pela conexão de uma baixíssima impedância entre os condutores de um circuito elétrico alimentado por geradores de tensão (CC ou CA), cuja consequência é uma corrente extremamente elevada que atravessa os geradores, podendo causar a destruição destes. 
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
Falhas no sistema elétrico
	 Enfoque especial: 
	Curto-circuito – perturbação elétrica causada pela conexão de uma baixíssima impedância entre os condutores de um circuito elétrico alimentado por geradores de tensão (CC ou CA), cuja consequência é uma corrente extremamente elevada que atravessa os geradores, podendo causar a destruição destes. 
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
Falhas no sistema elétrico
	Um sistema elétrico está sujeito a cinco tipos de curtos-circuitos. 
Os três condutores de um sistema trifásico (curto-circuito trifásico). 
Dois condutores estão eletricamente conectados entre si (falta entre fases). 
Dois condutores estão eletricamente conectados à terra (falta fase-fase-terra). 
Um único condutor está eletricamente conectado à terra (falta fase-terra). 
Curto-circuito ocasionado por descargas atmosféricas. 
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Falhas no sistema elétrico
	As correntes que fluem em diferentes partes de um sistema elétrico, imediatamente após a ocorrência de um curto-circuito, diferem-se das correntes em regime permanente que fluíam instantes antes da falta. 
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Falhas no sistema elétrico
	 Essa característica governa os esquemas de proteção que utilizam relés dedicados à mitigação dos efeitos de curtos-circuitos. 
	Vários tipos de relés podem ser empregados para essa finalidade, dentre eles citam-se: de sobrecorrente, direcional, de distância e piloto.
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
Requisitos básicos do sistema de proteção
	Os requisitos básicos do sistema de proteção se fundem com as exigências operativas do seu principal componente, o relé. 
	Sensibilidade, seletividade, velocidade, confiabilidade, disponibilidade e segurança são termos comumente usados para descrever os requisitos de ambos. 
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
Requisitos básicos do sistema de proteção
	Buscamos sempre que um sistema de proteção seja suficientemente sensível para detectar faltas, no menor nível de corrente de curto-circuitopossível, assumindo uma condição real de operação. 
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Requisitos básicos do sistema de proteção
	 Deve ser capaz de selecionar, dentro de um universo de estados de operação, somente aqueles para os quais ele está apto a operar. 
	Por fim, ele deve ser rápido o suficiente para operar na velocidade que lhe foi requerida. 
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
Requisitos básicos do sistema de proteção
	 O principal objetivo do sistema de proteção é tirar de operação, o mais rápido possível, o elemento do sistema elétrico sob falta, de forma a minimizar o impacto no suprimento de energia. 
	Assim, sensibilidade e seletividade são essenciais para garantir que relés e disjuntores sejam acionados adequadamente.
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Requisitos básicos do sistema de proteção
	 A confiabilidade do sistema de proteção é um requisito básico. 
	Quando a proteção não executa propriamente a sua finalidade, as características de mitigação das faltas são, em grande parte, ineficientes. 
Disponibilidade
segurança. 
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Requisitos básicos do sistema de proteção
	 Um sistema de proteção é dito disponível se ele for suficientemente confiável, de modo a realizar, a qualquer instante de tempo, a tarefa que lhe for solicitada. 
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Requisitos básicos do sistema de proteção
	 O sistema de proteção é dito seguro se ele NÃO operar para qualquer perturbação. 
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Requisitos básicos do sistema de proteção
Projeto
Desenvolvimento
Planejamento dos esquemas de proteção. 
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Requisitos básicos do sistema de proteção
A proteção eficiente reside na conveniente escolha dos seus principais dispositivos TCs, TPs, relés, disjuntores, fusíveis, SCADA, etc..
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Requisitos básicos do sistema de proteção
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
Fundamentos sobre coordenação e seletividade
	Coordenar a proteção: 
Capacidade de dispor, arranjar, organizar os dispositivos para alcançarem um determinado objetivo. 
	A proteção sem a devida coordenação, contribui para o aumento da severidade da falta, acarretando desligamentos desnecessários de equipamentos e/ou partes do sistema. 
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Fundamentos sobre coordenação e seletividade
	 Coordenar a proteção: 
	Para evitar tal cenário em sistemas de transmissão, primeiramente, os engenheiros de proteção devem definir as zonas primárias de proteção, que são responsáveis por resguardar uma parte específica do sistema.
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
Fundamentos sobre coordenação e seletividade
	 Zona de proteção: 
	A região claramente definida por retângulos limítrofes imaginários presentes no diagrama unifilar do sistema elétrico.
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	Uma vez que todo sistema elétrico é um ambiente dinâmico, ou seja, podem existir condições operativas que geram vários tipos de sinais elétricos (desvios de frequência, transitórios, ruídos, centelhamento, etc.), então, como um relé consegue diferenciar os sinais representativos de um curto-circuito dos demais sinais? 
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	Pois bem, inicialmente, determinam-se as condições de operação do sistema (normais, máxima e mínima, de sobrecarga), além de condições excepcionais, tais como partida de motores, magnetização de transformadores, etc. 
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	Portanto, necessita-se de um perfeito conjunto de informações iniciais, obtidas nas placas dos equipamentos, medições diretas no campo, ou dadas pelos fabricantes (catálogos e manuais).
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	De posse dessas informações, o relé é programado – o que no jargão do engenheiro de proteção se refere à expressão setar os ajustes ou parâmetros do relé – para não operar durante essas condições. 
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	 Testes de curtos-circuitos devem ser realizados no sistema, cujos resultados (corrente de curto-circuito) são parametrizados no relé. 
Relé detecta um valor de corrente superior a um limiar preestabelecido 
Na ocorrência da perturbação, dispara o(s) disjuntor(es) para isolar a parte sob falta. 
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	 De modo sucinto, as finalidades da coordenação podem ser dadas da seguinte forma:
Isolar o curto-circuito do sistema, tão próximo quanto possível de sua origem, cujo objetivo é evitar suas consequências.
Realizar o isolamento no mais curto-tempo, visando a redução nos danos causados aos equipamentos do sistema, assim como no suprimento de energia.
Garantir que relés e disjuntores operem coordenadamente, da maneira como foram especificados para isolar a falta.
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	 É importante salientar que a coordenação da proteção está atrelada à temporização da atuação dos dispositivos envolvidos.
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	 Por mais que o sistema de proteção da zona adjacente tenha inferido, desde o início, a ocorrência de uma falta fora da sua zona, ele deve dar a oportunidade para que o sistema de proteção da zona sob falta possa operar. 
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	Transcorrido esse intervalo e o sistema de proteção da zona adjacente ainda detectar a falta, nesse momento, ele vai perceber que o sistema de proteção da zona sob falta não atuou e ele mesmo deve combater a propagação da falta.
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	Essa simples explicação demonstra a suprema importância da coordenação da proteção. 
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	É imprescindível ressaltar que demonstramos o princípio da coordenação da proteção para sistemas de transmissão, mas sem perda de generalidade, guardadas as devidas características operativas, a coordenação também deve ser aplicada às redes primárias dos sistemas de distribuição.
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	É imprescindível ressaltar que demonstramos o princípio da coordenação da proteção para sistemas de transmissão, mas sem perda de generalidade, guardadas as devidas características operativas, a coordenação também deve ser aplicada às redes primárias dos sistemas de distribuição.
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	O ajuste correto dos relés garante uma coordenação que responda às exigências solicitadas em cada projeto. 
	Acreditamos que o ajuste dos relés seja um problema complexo e de difícil compreensão, mas a solução pode ser mais simples do que se imagina. 
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	 Para tanto, vamos exemplificar de modo simples o ajuste de relés que empregam curvas tempo-corrente (popularmente conhecidos como relés de sobrecorrente.
Proteção do Sistema Elétrico de Potência
	 O tempo de operação de relés de sobrecorrente varia com a magnitude da corrente. 
	Dessa maneira, há dois ajustes a serem realizados:
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1. Ajuste da corrente limiar ( ilimiar ): corrente mínima de excitação do relé, cujo valor deve ser maior que a corrente máxima de carregamento da linha por motivos de segurança. 
	Caso essa condição não seja obedecida, o relé pode operar indevidamente. Um procedimento prático geralmente empregado no cálculo de limiar consiste em multiplicar o numerador da relação de transformação do TC pelo coeficiente klimiar , cujo resultado deve ser superior à corrente máxima de carregamento.Proteção do Sistema Elétrico de Potência
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2. Ajuste da Alavanca de Temporização (AT): ajuste para determinar o tempo de operação do relé ( Top ). Em geral, as características de resposta dos relés de sobrecorrente são alocadas em função do tempo (segundos) versus o valor normalizado da corrente máxima de curto-circuito 
para cada posição da alavanca. 
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TRABALHO
Em proteção do Sistema Elétrico de Potência, como se pode definir o software SCADA?
O sistema de proteção é formado por dispositivos que também estão sujeito a falhas, sejam técnicas ou provocadas por erros humanos. Assim, existe a real possibilidade que ocorra uma falta em uma zona primária e o sistema de proteção incumbido de seu resguardo não opere como planejado. Como resolver essa problemática?
Reproduzir os temas mostrados na seção SEM MEDO DE ERRAR e AVANÇANDO NA PRÁTICA do livro texto.