Prot_trafos_curso-seletiv_impress_v2

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Prof. Paulo Márcio da Silveira
Universidade Federal de Itajubá
Grupo de Estudos da Qualidade 
da Energia Elétrica
Capítulo IV
Proteção de transformadores
Sistemas de Proteção de Transformadores
• Localização e função
• Tensão, conexão e projetos 
POTÊNCIA PROTEÇÃO
S < 2500 KVA fusíveis
2500 < S < 5000 KVA relés de sobrecorrente
5000 < S < 10000 KVA relés de sobrecorrente em conexão
residual.
S > 10 MVA relé diferencial percentual com restrição
harmônica, relés auxiliares (pressão, 
temperatura, etc.)
 
alarme 
refrig.
comutador
sinalização
26
71 
63G
63P
86 
67N 49 
27 
59 
152 252
150 
151 
150 
151 N 
250 
251 
250 
251 N 
87 
138 kV 13,8 kV 220 V 
352
Fusível 
3 
1 3 
1 
3
1 
Y Y
Proteção Para Transformadores de Grande Porte
52 Disjuntor
50 Sobrecorrente Instantâneo
51 Sobrecorrente Temporizado
49 Sobrecarga ou Imagem Térmica (1,3 x IN)
26 Termômetro termostato (55oC, 65oC - proteção própria)
71 Nível de Óleo (proteção própria)
63G Buchhols de Volume de Gás (proteção própria)
63P Buchhols de Fluxo de Óleo (proteção própria)
87 Diferencial
67N Direcional de Terra ou Terra Testrita (ou 87N - diferencial de terra)
27 Subtensão
59 Srobetensão
86 Relé de Bloqueio (ou chave de bloqueio)
Outros não indicados
46 Sobrecorrente de Seqüência Negativa
81O/U Sobre ou Subfreqüência
50BF Relé de Falha de Disjuntor (Breaker Failure) 
Principais Funções Utilizadas
• Trafo de Distribuição (BT - MT) - P ≤ 500 KVA
a) Relés primários ANSI : 49 - 51 - 50
b) Indicadores ANSI : 71 - 26 - 49 - (63)
c) Fusíveis
• Trafo de Força I (MT - AT) 500 KVA < Pot ≤ 5000 KVA
a) Relés secundários ANSI : 50 - 51 - (87)
b) Indicadores ANSI : 26 - 49 - 71 -63 (63P)
• Trafo de Força II - ( AT - EAT) 5 MVA < Pot ≤ 30 MVA
a) Relés secundários ANSI : (49) - 50 - 51 - 87
b) Indicadores ANSI : 26 - 49 - 71 - 63 - 63P
• Trafo de Força III Pot > 30 MVA 
Relés secundários e indicadores segundo vários esquemas
especiais.
71 – 26 - 49
Proteções intrínsecas
Proteções intrínsecas
Relé 63 e 63P
Proteções intrínsecas
Relé 63 atuado
Faltas no enrolamento 
• É controlada em magnitude pela fonte; 
pela impedância do neutro; pela 
reatância de dispersão do 
transformador e pela tensão de falta 
que pode diferenciar da tensão do 
sistema conforme a posição da falta no 
enrolamento.
Enrolamento conectado em estrela com o ponto neutro a 
terrado através de uma impedância
Enrolamento conectado em estrela com ponto neutro 
solidamente aterrado.
Enrolamento conectado em delta
Faltas fase-fase
• Uma falta entre fases dentro do 
transformador é relativamente rara, 
porém se ocorrer, dará origem a uma 
substancial corrente, comparável as 
faltas fase-terra de transformadores 
solidamente aterrados.
Faltas entre enrolamentos de 
diferentes tensão
Faltas entre espiras
Condições externas anormais
• Sobrecarga
• Faltas no sistema
• Sobretensões
• Subfreqüência
Outras faltasOutras faltas
Faltas no núcleo e faltas no tanque
Sobrecarga
• Implica em aumento das perdas no cobre e 
conseqüente elevação da temperatura. 
Sobrecargas podem ser conduzidas por 
períodos limitados, dependendo da 
temperatura inicial e das condições de 
resfriamento.
• A constante de tempo térmica de um 
transformador ONAN é da ordem de 2,5 a 5 
horas. Constantes de tempo menores 
necessitam de resfriamentos forçados
Curto-circuitos no sistema (falta 
passante)
Capacidade de Sobrecorrente dos
transformadores (ANSI/IEEE)
Ponto ANSI
Impedância do 
transformador%
Corrente de Falta
Múltiplo da corrente nominal
Duração permitida para
a falta (s)
4 25 2
5 20 3
6 16 4
> 7 ≤14 5
Curvas ANSI
• Na realidade o padrão para a especificação de suportabilidade dos 
transformadores para faltas passantes foram mudados pela ANSI 
C57.12.1980. Para todos os caos o tempo máximo considerado passou 
a ser de 2(s).
• No entanto, após tal mudança os engenheiros de proteção 
descobriram tratar-se do uso da curva de sobrecarga térmica 
(IEEE/ANSI C37.91 1972) para a proteção contra sobrecorrente e, que 
os novos 2(s) estavam limitando severamente a proteção de 
transformadores para faltas passantes. O conflito existia porque a 
C37.91 apresentava curvas para danos térmicos e a C57.12 era 
relativa a danos mecânicos. Isso conduziu a mais mudanças em 1982, 
cuja padronização cobre ambos os casos. Assim, esse novo padrão 
possui seis curvas, uma curva para cada categoria I e IV e duas 
curvas para cada categoria II e III. Tais categorias levam em conta as 
potências dos transformadores e se as faltas a que estes estão 
sujeitas durante a sua vida útil são ou não freqüentes, o que é na 
verdade uma estimação com base em experiências históricas. A Tab. 
XIII resume este novo padrão e as figuras 44 a 46 ilustra as curvas de 
suportabilidade dos transformadores.
Categori
a
Potência nominal do trafo – kVA
Monofásicos Trifásicos
Curva Freqüência
da falta
OBS – curva extrapolada
I 5-500 15-500 1 - 25 a 50I
t = 1250/I2 (60 Hz)
II 501-1.667 501-5.000 1 ou 1 + 2 10 70 a 100% da máxima
falta possível onde I2t = K
K é determinado no máx I 
quando t = 2(s)
III 1.668-10.000 5.001-30.000 1 ou 2+3 5 50 a 100% da máxima
falta possível onde I2t = K
K é determinado no máx I 
quando t = 2(s)
IV > 10.000 > 30.000 1+3 - idem III
Curvas ANSI
Curva para 
Categoria I faltas 
freqüentes ou não 
freqüentes e para 
categorias II e III 
para faltas não 
freqüentes
Curvas ANSI
Curva para 
Trafos Categoria 
II faltas 
freqüentes
Curvas ANSI
Curva para 
Categoria III, faltas 
freqüentes ou 
Categoria IV faltas 
freqüentes ou não 
freqüentes.
Curvas ANSI
Proteção Contra Sobrecorrente
• Faltas externas ou correntes de carga devem 
ser distinguidas das faltas internas. As faltas 
externas que não são prontamente 
eliminadas, bem como as altas correntes de 
carga irão causar sobreaquecimento
provocando a degradação da isolação, 
tornando-o, com o tempo, vulnerável a 
flashovers internos.
• A proteção contra sobrecarga excessiva ou 
faltas externas persistentes implica no uso de 
relreléés de sobrecorrente temporizadoss de sobrecorrente temporizados
Relés na AT ou BT – correntes de acionamento mínimo => 1,2Inom
Trafos ONAF ou OFAF => mínimo 1,2Imáx
Se o transformador não possui proteção no secundário, os 
dispositivos de proteção do primário podem ser ajustados no 
máximo 2,5Ifl.
Se o transformador possui dispositivos de proteção no secundário, 
estes podem ser ajustados no máximo 2,5Ifl e os dispositivos de 
proteção do primário podem ser ajustados de modo que atuem 
para uma corrente não superior :
4Ifl para 6% ≤ ZT < 10%
6Ifl para ZT < 6%
É bastante comum ajustarmos os elementos citados acima para uma 
corrente de acionamento entre 1,2 e 1,5 vezes a corrente a plena
carga do transformador.
Verificação da curva ANSI (ponto ANSI). Curvas tempo x corrente
devem ‘proteger a curva térmica’ do transformador até o ponto 
ANSI (PA).
Proteção contra sobrecorrente
Proteção contra
sobrecorrente
Distribuição das correntes
¨ Os relés de sobrecorrente no primário devem ser 
ajustados de forma a deixar circular corrente de 
energização (inrush) (8 a 15Inom) durante 0,1 segundos.
¨ Os relés instantâneos, no primário de um 
transformador, não devem operar para a corrente 
máxima de curto nos terminais secundários, ou seja, a 
corrente de curto-circuito trifásica subtransitória
assimétrica. Levar em conta esse fator de assimetria 
(fig. 73). Valores usuais são 1.5 a 1.6 para circuito de 
média e alta tensão e 1.25 para baixa tensão.
Os relés devem ser ajustados ou escolhidos de modo a 
coordenarem com os dispositivos de proteção dos 
circuitos eu derivam da barra conectada no secundário 
do mesmo (relés, fusíveis, disjuntores termo-
magnéticos, etc). A figura 74 ilustra um exemplo de 
seletividade entre vários dispositivos.
¨
Proteção contra sobrecorrente
Proteção contra sobrecorrenteOs relés de sobrecorrente no primário devem 
ser ajustados de forma a deixar circular 
corrente de energização (inrush) (8 a 15Inom) 
durante 0,1 segundos.
Os relés instantâneos, no primário de um 
transformador, não devem operar para a 
corrente máxima de curto nos terminais 
secundários, ou seja, a corrente de curto-
circuito trifásica subtransitória assimétrica. 
Levar em conta esse fator de assimetria. 
Valores usuais são 1.5 a 1.6 para circuito de 
média e alta tensão e 1.25 para baixa tensão.
Proteção contra sobrecorrente
1) para curto afastado do gerador
2) para curto próximo do gerador
Proteção contra sobrecorrente
Os relés devem ser ajustados ou 
escolhidos de modo a coordenarem com 
os dispositivos de proteção dos circuitos 
eu derivam da barra conectada no 
secundário do mesmo (relés, fusíveis, 
disjuntores termo-magnéticos, etc). A 
próxima figura ilustra um exemplo de 
seletividade entre vários dispositivos.
Proteção contra sobrecorrente
a) Relés de sobrecorrente de fase
Tape : (1,5-5) . In
DT : de acordo com a seletividade e ponto ANSI
b) Relés de sobrecorrente de neutro
Tape : (0,2 - 0,5) . In
DT : de acordo com a seletividade
c) Relés de sobrecorrente Instantâneos
Tape : * escolher em função dos níveis de curto-circuito 
(máx. e min.) assimétrico.
* verificar a condição de partida ( corrente de 
magnetização - INRUSH)
Transitórios de sobretensão
• São originados de chaveamento e descarga 
atmosféricas e são passíveis de causar faltas 
internas. Essas sobretensões são usualmente 
limitadas por dispositivos com gaps definidos pela 
coordenação do isolamento ou por pára-raios. Pára-
raios possuem a vantagem de extinguir o fluxo de 
corrente AC, após a descarga do surto, evitando 
deste modo, uma falta fase-terra.
• Sobretensões de caráter permanente, na freqüência 
industrial causará, além do stress no isolamento, um 
aumento proporcional no fluxo de trabalho (sobre-
excitação).
• Tal efeito irá causar o aumento das perdas no núcleo 
e um aumento desproporcional na corrente de 
magnetização. 
Subfreqüência
• A redução na freqüência tem efeito também na 
densidade de fluxo similar a sobretensão. Isso faz 
com que o transformador possa funcionar com algum 
grau de sobretensão, porém não continuada. Essa 
operação não pode se sustentada quando a razão 
tensão e freqüência (valores pu) excede a unidade 
mesmo que para pequenos valores , p.ex. V/f = 1.1.
• A base da tensão pu deve ser tomada como a mais 
alta tensão de projeto do transformador, caso uma 
subida substancial na tensão do sistema tenha sido 
considerada no projeto do transformador.
Proteção contra Sobrefluxo (Sobre-
excitação) VOLTS/HZ
RelReléés de protes de proteççãoão
Relé 87 – polaridade e defasamento angular
RelReléés de protes de proteççãoão
Relé 87 – polaridade e defasamento angular
RelReléés de protes de proteççãoão
Relé 87 – polaridade e defasamento angular
RelReléés de protes de proteççãoão
Relé 87 – polaridade e defasamento angular
Ajuste do defasamento angular (correta conexão dos TCs)
Ajuste da relação de corrente (correta seleção dos TCs e/ou taps do relé
ou TCs auxiliares.
RelReléés de protes de proteççãoão
Relé 87 => conexões
Exemplo de aplicação: 
Um transformador trifásico com dois circuitos, 
com comutador de tap colocado do lado de 
menor tensão possui os seguintes daos
nominais: 20 MVA, 12.400:69.000 V (YD1), TCs
1200-5A “RM” (Lado Y), TCs 600-5A “RM”.
O relé disponível para a proteção é o HU (W):
Tapes: 2,9; 3,2; 3,5; 3,8; 4,2; 4,6; 5,0; 8,7
Erro admissível (mismatch) = 15%
Sensibilidade do relé 15%
RelReléés de protes de proteççãoão
Relé 87 => conexões
Aplicações e Conexões de Relés Diferenciais em 
Transformadores
a) Escolha dos TC’s
b) Escolha dos taps do relé
20000 930 [A] 1000 5 [A]
3.12, 4
20000 167 [A] 200 5 [A]
3.69
bt BR
AT AT
n TC
n TC
I R
I R
= = ⇒ = −
= = ⇒ = −
930 4,65 [A]
200
167
ATS
I = =
4,18 [A]
40ATS
I = =
Aplicações e Conexões de Relés Diferenciais em 
Transformadores
No lado de BT os TC’s estão em .Δ a corrente para o 
relé:
O tape mais próximo de 8,05 ⇒ 8,7
Então fixando este tape ⇒ 8,7
4,65. 3 8,05 [A]
BTR
I = =
4,18. .8,7 4,64 [A]
8,05
4,6 [A]
RAT
AT BT
RBT
AT
IT T
I
T
= = =
=
Aplicações e Conexões de Relés Diferenciais em 
Transformadores
c) Verificação do erro de ajuste
A sensibilidade do relé é de 0,3 ou 0,35 x o tape
Se ε% > 15% ⇒ escolher outro tape e recalcular, p. ex.
% .100 15%
8,05 8,7
1,93 1,90 0,034,18 4,6% .100 .100 .100
1,90 1,9
% 1,6% 15%!!!
RBT BT
RAT AT
I T
I T
S
S
−
ε = <
−
−
ε = = =
ε = <
Transformadores com três enrolamentos
RelReléés de protes de proteççãoão
Relé 87 => conexões
Suponhamos um banco trifásico de três enrolamentos 
cujas potências nominais são: 60, 40 e 25 MVA para as 
tensões de 230/69/13.8 kV (Y- Y - Δ) respectivamente. 
Fazer as conexões dos TCs e ajustar um relé do tipo CA 
(tapes 5, 6, 6.6, 7.3, 8, 9 e 10). 
Transformadores com três enrolamentos
RelReléés de protes de proteççãoão
Relé 87 => exemplo
	Proteção de transformadores
	Sistemas de Proteção de Transformadores 
	Principais Funções Utilizadas�
	Proteções intrínsecas
	Proteções intrínsecas
	Proteções intrínsecas
	Faltas no enrolamento 
	Enrolamento conectado em estrela com o ponto neutro a terrado através de uma impedância�
	Enrolamento conectado em estrela com ponto neutro solidamente aterrado. 
	Enrolamento conectado em delta 
	Faltas fase-fase 
	Faltas entre enrolamentos de diferentes tensão 
	Faltas entre espiras 
	Condições externas anormais 
	Sobrecarga 
	Curto-circuitos no sistema (falta passante) 
	Curvas ANSI
	Curvas ANSI
	Curvas ANSI
	Curvas ANSI
	Curvas ANSI
	Proteção Contra Sobrecorrente 
	Proteção contra sobrecorrente 
	Proteção contra sobrecorrente���Distribuição das correntes 
	Proteção contra sobrecorrente 
	Proteção contra sobrecorrente 
	Proteção contra sobrecorrente 
	Proteção contra sobrecorrente 
	Proteção contra sobrecorrente 
	Transitórios de sobretensão 
	Subfreqüência 
	Proteção contra Sobrefluxo (Sobre-excitação) VOLTS/HZ 
	Aplicações e Conexões de Relés Diferenciais em Transformadores 
	Aplicações e Conexões de Relés Diferenciais em Transformadores 
	Aplicações e Conexões de Relés Diferenciais em Transformadores 
	Transformadores com três enrolamentos 
	Transformadores com três enrolamentos