RESUMO PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS

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PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS
A elaboração de um esquema completo de proteção para uma instalação elétrica industrial
envolve várias etapas, desde o estabelecimento de uma estratégia de proteção,
selecionando os respectivos dispositivos de atuação, até a determinação dos valores
adequados para a calibração destes dispositivos. Para que o sistema de proteção atinja a
finalidade a que se propõe, ele deve responder aos seguintes requisitos básicos:
● Seletividade: É a capacidade que possui o sistema de proteção de selecionar a
parte danificada da rede e retirá-la de serviço sem afetar os circuitos sãos;
● Exatidão e segurança: Garante ao sistema uma alta confiabilidade operativa;
● Sensibilidade: Representa a faixa de operação e não operação do dispositivo de
proteção. O sistema de proteção deve responder às anormalidades com menor
margem possível de tolerância entre a operação e não operação dos equipamentos.
● Todo projeto de proteção de uma instalação deve ser feito globalmente e não
setorialmente. Projetos setoriais implicam uma descoordenação do sistema de
proteção, trazendo, como consequência, interrupções desnecessárias de setores de
produção.
De modo geral, a atuação de um sistema de proteção se dá em três níveis
● Proteção principal: Em caso de falta dentro da zona protegida, é quem deverá
atuar primeiro;
● Proteção de retaguarda: é aquela que só deverá atuar quando ocorrer falha da
proteção principal;
● Proteção auxiliar: é constituída por funções auxiliares das proteções principal e de
retaguarda, cujos objetivos são sinalização, alarme, temporização, intertravamento…
Basicamente, um projeto de proteção é feito com três dispositivos: fusíveis, disjuntores e
relés. E para que eles sejam selecionados adequadamente é necessário se proceder à
determinação das correntes de curto-circuito nos vários pontos do sistema elétrico.
Proteção contra sobrecorrentes: sobrecargas e curtos-circuitos
● Os fabricantes dos fusíveis fornecem a integral de Joule que esses elementos de
proteção deixam passar, de forma a se poder dimensioná-los adequadamente:
● K2 × S2 - integral de Joule para aquecimento do condutor,
desde a temperatura máxima para serviço contínuo até a
temperatura de curto-circuito, admitindo aquecimento adiabático.
Disjuntores: Podem ser fabricados, quanto às unidades de proteção incorporadas, em
quatro diferentes tipos:
● Disjuntores somente térmicos: São aqueles que dispõem de somente uma
unidade de proteção térmica de sobrecarga.
● Disjuntores somente magnéticos: São aqueles que dispõem de somente uma
unidade magnética de proteção contra curtos-circuitos.
● Disjuntores termomagnéticos: São aqueles que dispõem de uma unidade de
proteção térmica e outra magnética de curto-circuito. Tipo de maior utilização prática.
○ Utilizam relés térmicos para proteção contra sobrecarga e bobinas para
proteção contra curto-circuitos
● Disjuntores termomagnéticos limitadores: São aqueles que dispõem das
unidades de proteção térmica e magnética e de um sistema especial capaz de
interromper as elevadas correntes de curto-circuito antes que elas atinjam o seu
valor de pico. Esse sistema tem como princípio as forças eletrodinâmicas
provocadas pela corrente de defeito.
Fusíveis: São dispositivos destinados à proteção contra curto-circuito e que se fundem
quando percorridos por uma corrente de valor superior àquela para o qual foram projetados.
Atuam dentro de determinadas características de tempo de fusão × corrente, fornecidas em
curvas específicas de tempo inverso, de acordo com o projeto de cada fabricante
● PRIMEIRA LETRA:
○ a: Fusível limitador de corrente, atuando somente na presença de curto
circuito;
○ g: Fusível limitador de corrente, atuando na presença tanto de curto circuito
como de sobrecarga;
● SEGUNDA LETRA:
○ G: Proteção de linha, uso geral;
○ M: Proteção de circuitos motores;
○ L: Proteção de linha;
○ Tr: Proteção de transformadores
○ R: Proteção de semicondutores, ultra rápidos;
○ S: Proteção de semicondutores e linha (combinado);
● Tipo gG: utilizados na proteção contra correntes de sobrecarga e curto-circuito.
● Tipos gM e aM: utilizados apenas na proteção contra correntes de curto-circuito,
sendo indicados para proteção de circuitos de motores, já que se supõe que haja um
dispositivo de proteção de sobrecarga instalado no mesmo circuito.
● Os fusíveis diazed e NH são dotados de características de limitação de corrente.
Para correntes elevadas de curto-circuito, atuam em um tempo extremamente rápido
que não permite que a corrente de impulso atinja seu valor máximo
Proteção dos dispositivos de comando e
manobra
● Contator: Chave de operação
não-manual, eletromagnética, com uma única
posição de repouso, que estabelece, conduz e
interrompe correntes em condições normais do
circuito. É constituído de uma bobina que,
quando alimentada, cria um campo magnético
no núcleo fixo que atrai o núcleo móvel que
fecha o circuito. Cessando a alimentação da
bobina, é interrompido o campo magnético,
provocando o retorno do núcleo por molas.
● Relé térmico: devem ser protegidos
contra as correntes de falta a jusante do ponto
de sua instalação
● Chave seccionadora interruptora: Os
fabricantes fornecem a capacidade máxima de
corrente que o equipamento poderá suportar,
diante da ocorrência de defeito, e/ou indicam o maior valor da corrente do fusível,
Infch , que deve ser pré-ligado à chave a fim de protegê-la adequadamente dos
efeitos eletromecânicos das correntes de curto-circuito.
Existe uma diferença fundamental entre a atuação de fusíveis, disjuntores termomagnéticos
e contatores acoplados a relés de sobrecarga.
● Fusíveis interrompem diretamente o circuito, atuando por destruição do seu
elemento fusível, tornando-se, na prática, irrecuperáveis;
● Os outros dois elementos atuam mecanicamente por meio da sensibilidade dos relés
térmico e magnético a eles ligados, podendo voltar ao estado de operação alguns
instantes depois.
Relés térmicos de sobrecarga: Dispositivos dotados de um par de lâminas construídas
com metais de diferentes coeficientes de dilatação térmica linear que, quando atravessados
por uma corrente de intensidade ajustada, aquecendo o bimetal, provocam, sob efeito da
dilatação térmica de suas lâminas, a operação do contato móvel. Os relés bimetálicos de
sobrecarga são constituídos de modo a permitir ajustes da corrente dentro de determinadas
faixas que podem ser escolhidas conforme o valor da corrente e da natureza da carga.
● Atuam com base em curvas de tempo × corrente do tipo inverso.
● O tempo de partida do motor deve ser inferior ao tempo de atuação do relé, Tar ,
para a corrente de partida correspondente, enquanto o tempo de rotor bloqueado
deve ser igual ou superior ao valor da corrente ajustada. Trb Tar Tpm≥ ≥
● Principais: atuação instantânea (50) e temporizada (51)
● Os relés de aplicação mais comum nos sistemas elétricos necessitam dos valores
de tensão, corrente e frequência. O valor de tensão é normalmente obtido pelos
transformadores de potencial (TPs); já a corrente elétrica é fornecida ao relé pelos
transformadores de corrente (TCs). No entanto, os relés necessitam de uma fonte
externa independente, CA ou CC, para poder funcionar. Para pequenas instalações,
essa fonte pode ser obtida por meio de um nobreak. Para instalações de médio e
grande porte, é utilizado um banco de baterias alimentado por um
retificador-carregador.
● Para se determinar os ajustes dos relés digitais de sobrecorrente de fase e de neutro
podem ser utilizados os seguintes procedimentos:
○ Unidades temporizadas de fase (51) e de neutro (51N)
● Devem ser ajustadas de forma que o relé não opere para a carga máxima presumida
e de acordo com a Equação:
○ (K - fator de sobrecarga do sistema)
● Para utilizar relés eletromecânicos diferenciais na proteção de um transformador de
potência trifásico com ligação delta-estrela, os secundários dos TCs instalados no
lado delta do transformador de potência devem ser ligados em estrela, enquanto os
secundários daqueles instaladosno lado estrela devem ser ligados em delta.
COORDENAÇÃO DA PROTEÇÃO DE REDES; PROTEÇÃO DE
GERADORES, TRANSFORMADORES, BARRAMENTOS E LINHAS
● Geralmente um sistema de potência possui altas tensões e correntes muito grandes,
valores que danificariam um relé ao ligá-lo diretamente a rede.
● Dois elementos que reduzem esses parâmetros a níveis aceitáveis para que o relé
funcione adequadamente: Transformador de corrente (TC) e transformador de
potencial (TP).
● Podemos resumir um sistema de proteção através do seguinte esquemático:
● O disjuntor é o elemento
que desligará de fato o circuito, ele
tem que ser construído para
suportar arcos voltaicos ou ter
formas eficazes de extingui-los.
● O relé é o elemento no qual
ajustamos os parâmetros normais
de um circuito, funciona como um
elemento sensor e o que dispara o
sinal de abertura para o DJ.
● Foco principal do estudo
está no relé, e secundariamente
está os TC e TP;
● TCs e TPs: Necessário saber quais são suas relações entre a tensão e corrente de
entrada e a tensão e corrente de saída, as quais serão monitoradas pelo relé;
● É preciso saber se o relé está protegendo contra sobrecorrente, corrente de
curto-circuito, sobretensão, inversão de fase e diversas outras funções específicas.
● A forma que um relé é conectado para proteger uma linha de transmissão é diferente
da forma que um relé é conectado para proteger um transformador, e vice-versa.
TRANSFORMADORES DE CORRENTE, TCs
● São equipamentos que permitem aos instrumentos de medição e proteção
funcionarem adequadamente sem que seja necessário possuírem correntes
nominais de acordo com a corrente de carga do circuito ao qual estão ligados;
● Primário com poucas espiras, secundário geralmente com 5A;
● RTC: Relação de Transformação Nominal;
● Transformadores de corrente, quando utilizados para a proteção de sistemas,
devem apresentar um nível de saturação elevado, maior ou igual a 20 vezes a
corrente de curto circuito máxima. No caso da corrente de curto-circuito ser 1300 A,
tem-se que a corrente nominal do TC deve estar na faixa de In = 1300/20 = 65 A.
TRANSFORMADORES DE POTENCIAL, TPs
● Equipamento usado principalmente para sistemas de medição de tensão elétrica,
sendo capaz de reduzir a tensão do circuito para níveis compatíveis com a máxima
suportável pelos instrumentos de medição;
● Principal aplicação: medição de tensões com valores elevados;
● RTP: Relação de Transformação
RELÉ
Dispositivo sensor que comanda a abertura do disjuntor quando surgem, no sistema
protegido, condições anormais de funcionamento. Identifica os defeitos, localizá-los o mais
exato possível, alertar a quem opera o sistema e enviar um sinal para abertura de
disjuntores, se for o caso.
● Confiabilidade, fidedignidade e segurança.
FUNÇÕES DE PROTEÇÃO
● Função 21: Relé de proteção de distância, utilizados para proteger linhas de
transmissão;
● Função 27: Relé de subtensão, protege um equipamento quando a tensão aplicada
nos seus terminais é menor que a especificada;
● Função 47: Proteção de desbalanços de tensão, utilizado para proteger quando há
muita tensão de sequência negativa, e o nível de desbalanço da instalação está
acima do limiar de projeto;
● Função 50: Relé de sobrecorrente instantâneo. Desliga imediatamente um
equipamento quando ocorre uma sobrecorrente;
● Função 51: Relé de sobrecorrente temporizado, desliga um equipamento quando
ocorre uma sobrecorrente, no entanto o tempo de desligamento é uma função do
valor da sobrecorrente;
● Função 59: Relé de sobretensão, desliga um equipamento quando um sobre tensão
está presente;
● Função 63: Relé de pressão de gás (Buchholz), relé que protege um transformador
de potência quando ocorre um curto interno;
● Função 87: Relé diferencial, relé que protege um elemento quando a fuga de
corrente, por exemplo um transformador, que tem corrente de entrada
proporcionalmente diferente da corrente de saída.
PRINCIPAIS SINAIS DO RELÉ
● Trip – sinal de desligamento
enviado por um relé
● Pick-Up – Valor de grandeza
(tensão, corrente etc.) para o qual o
relé inicia a atuação
● Tape – valor de ajuste de um
relé (normalmente para a unidade
temporizada)
● Dial de tempo – valor
multiplicativo de quanto tempo
determinado valor de corrente é
suportado.
● Corrente de In Rush –
Corrente quando um transformador é energizado, somente aparece no primário.
● A corrente no relé é determinada por:
PROTEÇÃO PARA GERADORES, TRAFOS E LINHAS DE TRANSMISSÃO
● Nem sempre um equipamento tem todas as proteções necessárias (contra
curto-circuito, sequência de fase, sub ou sobre frequência, perda de campo etc);
● Princípio básico: tudo parte praticamente do relé ou do elemento fusível, que ainda é
utilizado em alguns casos.
Relé diferencial: Função 87, são relés que operam quando a
diferença da corrente de entrada em relação à corrente de saída
ultrapassa um valor preestabelecido ou ajustado.
Basicamente temos que ajustar o relé para que quando houver
um desbalanço entre a corrente de entrada e a de saída o relé
envie um sinal (pick-up) para o disjuntor.
Relé de distância: Função 21, um relé de distância pode ter
esta função desempenhada por um relé de impedância (ou ohm),
admitância (ou mho – o contrário de ohm), reatância ou relés
poligonais. Este relé utiliza este nome visto que, quando há uma
falta em uma linha, a impedância da linha vista pelo relé muda e
depende da distância onde foi a falta;
QUESTÃO CESPE 2010
Os relés de distância utilizados na proteção de linhas de transmissão também podem ser
usados para a proteção de barramentos de subestações. Para tanto, sua característica de
operação para curtos-circuitos a jusante do relé pode ter um recuo para também proteger
contra curtos-circuitos no barramento.
Relé de falta - Motores:
protege o motor contra
eventuais curto-circuitos,
porém o momento da
partida do motor pode
gerar corrente que
chegam a 7 vezes a
corrente nominal. Temos
que usar curvas de
corrente-tempo para
fazer um projeto
adequado da proteção
de um motor.
De maneira geral os relés são classificados da
seguinte forma quanto ao seu aspecto construtivo:
Relés eletromecânicos:
● Mais antigo, movimentos mecânicos devido
a campos elétricos e magnéticos;
Relés eletrônicos ou estáticos:
● circuitos transistorizados que
desempenham funções lógicas e de temporização.
Mais velocidade e menos manutenção;
Relés digitais:
● relés eletrônicos gerenciados por
microprocessadores específicos a este fim;
● controlados por um software que processa
a lógica da proteção através de algoritmos;
Uma zona de proteção é estabelecida ao redor de cada elemento do sistema, com vistas à
seletividade, pelo que disjuntores são colocados na conexão de cada dois elementos.
ARRANJOS DE SUBESTAÇÃO
ARRANJO DE BARRAMENTO SIMPLES
● A subestação possui uma só barra de AT e/ou BT. Usados em pequenas SEs;
● Falhas ou manutenção no barramento implicam na perda total do sistema;
● Manutenção nos dispositivos do sistema requerem a desenergização das linhas
ligadas a eles;
● Nos casos em que o barramento é seccionado, pode haver manutenção de trechos
do mesmo sem a interrupção de todos os consumidores ;
ARRANJO DE BARRAMENTO PRINCIPAL OU DE TRANSFERÊNCIA
● Energização do barramento de transferência
através do disjuntor de interligação;
● Possibilidade de manutenção de um dos
barramentos mantendo-se as cargas no outro
barramento, ainda que com limitações de proteção;
ARRANJO DE BARRAMENTOS DUPLOS
● Dois barramentos
principais ligados a cada
uma das linhas de
transmissão de entrada,
possibilitando um bom
plano de manutenção;
● Aumento da
confiabilidade do sistema,
falhas em um barramento
não afetam o outro;
ARRANJO DE BARRAMENTOS EM ANEL
● Boa flexibilidade para manutenção de
disjuntores sem interrupção do fornecimento de
energia.
Tipos de sistema de distribuição primária
Sistema elétrico radial
● A energia elétrica trafega em um só sentido, havendo um curto circuito no sistema
radial, a corrente elétrica sempre vem do sentido da fonte para o local do defeito.● Podem-se utilizar relés mais simples sem características direcionais. O objetivo geral
da proteção é eliminar o defeito o mais rápido possível, de modo a deixar o menor
número de consumidores sem energia.
● Mais barato e mais simples. Mas tem alta taxa de descontinuidade de energia e
perdas de consumidores, provocando descontentamento;
● Uma solução adotada é a utilização de chaveamentos, denominada de sistema
radial com recursos. Ao haver uma falha, isola-se o trecho com problemas e
energiza-se a parte boa do sistema.
Sistema elétrico em anel
● A energia pode trafegar em qualquer sentido. No caso do defeito, o curto circuito é
alimentado por correntes elétricas proveniente de todos os lados.
● A grande vantagem do sistema em anel, é que nos defeitos das linhas de
transmissão. A proteção atua desconectando a linha sem desenergizar as barras,
portanto sem perdas de consumidores.
● A proteção deste sistema só é possível com relé de sobrecorrente, monitorado com
relé direcional (67).
Atendimento por meio de unidade transformadora externa dedicada
● Rede aérea sem previsão de conversão para subterrânea. O limite de demanda
da edificação, para atendimento por meio de transformador de distribuição instalado
no poste da Light, é de 300 kVA. O ramal de ligação, dependendo da conveniência
técnica, poderá ser aéreo ou subterrâneo.
● Rede aérea com previsão de conversão para subterrânea. O limite de demanda
da edificação, para atendimento por meio de transformador de distribuição instalado
no poste da Light, é de 150 kVA. O ramal de ligação, dependendo da conveniência
técnica, poderá ser aéreo ou subterrâneo.
● Rede subterrânea. Quando existe rede subterrânea local, o atendimento será
efetivado diretamente por meio de ramal subterrâneo.
● O atendimento mediante ramal de ligação subterrâneo derivado diretamente da rede
reticulada generalizada (malha) está limitado para demandas até 300 kVA.
Unidades consumidoras com demanda superior a 300 kVA deverão ser
submetidas previamente a estudo de viabilidade.
Componentes de uma Subestação Abaixadora
● Protetores de descargas atmosféricas: Os para-raios atuam durante uma súbita
elevação do valor de tensão nominal da rede de distribuição por ocasião de
uma descarga atmosférica. Os raios e chaveamento de equipamentos por vezes
causam essa sobretensão ou descargas. Sua construção resistiva não linear se
comporta como um "curto circuito" para a “terra” quando a tensão na linha passa dos
limites estabelecidos por projeto como “segura” e faz o “excesso” de energia ser
desviado para outro local – o solo.
● Chaves de seccionamento: São os dispositivos que em geral são operados
SEM carga, ou seja, sem corrente elétrica em suas lâminas e conexões
● Disjuntores: Responsáveis pelas manobras de sistema, interrompendo ou
restabelecendo a carga dos circuitos ou da instalação geral. Essas manobras são
por conta de operação ou proteção contra defeitos. Podem ter como seu meio
isolante óleo, ar, vácuo, ou ainda gás hexafluoreto de enxofre (SF6). Normalmente, e
por serem de atuação muito rápida, possuem dispositivos de acúmulo de energia
tipo mola, ou pistões para promover a mudança de estado de seus contatos.
Essa mudança, acontecendo muito rapidamente, garante o menor tempo de
submissão térmica aos contatos causada pela corrente elétrica da carga. Podem
atuar por comando manual – efetuado pelo operador – ou por elementos de
proteção. Esses elementos podem ser diretos ou indiretos.
● Protetores de circuitos: Dispositivos responsáveis pela garantia da qualidade
de fornecimento de energia e da integridade de operação dos circuitos e
equipamentos que vêm em seguida. Os relés de proteção podem ser
PRIMÁRIOS (acionados diretamente pela corrente do circuito) e SECUNDÁRIOS
(acionados pela imagem da corrente do circuito). O uso de transformadores de
corrente é o caso típico do segundo tipo citado. A velocidade de atuação dessas
proteções, assim como os níveis de sensibilidade, é definida pelos ajustes do
equipamento, e seu monitoramento deve ser efetuado periodicamente como
princípio de garantia da proteção das suas instalações e de seus operadores.
● Transformadores de força: equipamentos responsáveis pela conversão da
energia elétrica recebida em média/alta tensão para baixa.
● Cabos de força: Podem ser instalados por meios aéreos ou subterrâneos, isolados
ou semi isolados. Da mesma forma, eles são também elementos limitados e
completos, uma vez que têm necessidade de serem testados quanto a sua
condição de isolamento elétrico. Os condutores de forca, sempre que afetos a
subestações subterrâneas, passam protegidos mecanicamente por condutos ou
envelopes de concreto.
● Cabine de medição: dispositivos usados pelo consumidor para garantir que a
energia elétrica fornecida será medida dentro de arranjos elétricos preestabelecidos,
e que a sua inviolabilidade será alcançada.
● Isoladores e condutores: Esses equipamentos, normalmente fabricados em
porcelana, às vezes em resina, determinam o nível de “qualidade” final da
instalação quando analisamos sua colaboração para as correntes de fuga por que
passam eles.
● Alvenaria e edícula de abrigo: A instalação pode ficar abrigada dentro de prédios,
ou em edícula, específicos para esse fim, como já comentado. Quando em
montagem de plataformas ou postes, as condições de projeto são alteradas e
devem sempre atender as considerações mínimas das normas em vigor.
CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA
● O ângulo do fator de potência é a variável de entrada, e a potência aparente reativa
ou a potência aparente é variável de saída. Potência ativa não se modifica;
● Calcular Qinicial e Qfinal, com a correção do fp;
● Qbc = Qi - Qf
QUESTÕES
Em subestações de distribuição de energia elétrica de pequeno porte com tensão de 13,8
kV, os disjuntores podem ser substituídos por fusíveis limitadores primários associados a
chaves seccionadoras, utilizadas para eventuais manobras.
● "Os fusíveis limitadores primários são dispositivos extremamente eficazes na
proteção de circuitos de média tensão devido às suas excelentes características de
tempo e corrente. São utilizados na proteção de transformadores de força,
acoplados, em geral, a um seccionador interruptor, ou, ainda, na substituição do
disjuntor geral de uma subestação de consumidor de pequeno porte, quando
associados a um seccionador interruptor automático."
● Fusível de ação retardada: motores
● Fusível de ação rápida: protegem circuitos eletrônicos domésticos e de iluminação,
entre outros
● DIAZED: É o modelo de fusível utilizado em instalações industriais nos circuitos de
motores.
● NH: utilizados para proteger as instalações elétricas industriais de sobrecorrentes e
curtos-circuitos. Eles possuem a categoria de utilização “gL/gG”
● Quando ocorre a abertura de uma das fases protegida por elo fusível em uma
subestação, as instalações dos serviços auxiliares podem entrar em ressonância,
devido ao acoplamento entre a capacitância dos cabos e a reatância de
magnetização dos transformadores de medida.