Filosofia de Proteção

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Proteção de Sistemas
Elétricos
Eng. Guilherme Pereira Silva
Supervisor de Proteção Controle e Comunicação – Regional Sudeste
Elecnor Concessões 2
Programa do Curso
• Módulo 1: Filosofia da Proteção
• Módulo 2: Relés
• Módulo 3: Proteção de Linhas de Transmissão
• Módulo 4: Proteção de Transformadores
• Módulo 5: Relés Diferenciais
• Módulo 6: Proteção de Barras
• Módulo 7: Falha de Disjuntor
Filosofia de Proteção
Discutir os conceitos básicos necessários para o entendimento da
função e finalidade da proteção no sistema elétrico de potência.
O equipamento de proteção não previne faltas: ele atua após a
ocorrência do defeito.
Exceções: relé Buchholz, relé de gás e pára-raios.
Objetivo deste tópico: 
Filosofia de Proteção
Onde:
– G: Gerador
– T: Transformador
– D: Disjuntor
– B: Barra
– LT: Linha de Transmissão
O que é um sistema elétrico de potência?
Filosofia de Proteção
Os sistemas de energia elétrica defrontam se com perturbações e
anomalias de funcionamento que afetam as redes elétricas e seus
equipamentos de controle.
Utilização de um conjunto coerente de proteções.
Filosofia de Proteção
– Assegurar, da melhor maneira possível, a continuidade do
fornecimento de energia, retirando de funcionamento apenas o
equipamento ou trecho da rede defeituoso.
– Proteger o equipamento contra danos quando o mesmo é
submetido a condições que excedam a especificação nominal.
– Para tal há necessidade de proteções distintas para:
• Situações anormais do sistema interligado (perda de
sincronismo de unidades geradoras, oscilação de potência,
sobretensões, etc.)
• Situações de curto-circuito na rede elétrica.
Finalidade
Filosofia de Proteção
Operação Normal
– Inexistência de falhas na zona de proteção do relé.
– Inexistência de erros do pessoal de operação e manutenção.
Prevenção Contra Falhas Elétricas
– Previsão de isolamento adequado.
– Instruções de operação e manutenção adequadas.
Aspectos Considerados na Proteção
Filosofia de Proteção
Limitação dos Efeitos das Falhas
– Redução das correntes de curto-circuito através da instalação de
reatores em série.
– Equipamentos projetados para suportar os efeitos térmicos e
dinâmicos das correntes de curto-circuito.
– Existência de circuitos múltiplos e reserva de geração das
unidades interligadas ao sistema.
– Existência de uma proteção confiável e equipamentos de
manobra com suficiente capacidade de interrupção.
– Meios de observar a efetividade das medidas acima (oscilógrafos
e registros de eventos).
– Frequentes análises sobre as mudanças no sistema que
conduzam a reajustes das proteções e esquemas operativos.
Aspectos Considerados na Proteção
Filosofia de Proteção
Função Principal
– Promover uma rápida retirada de serviço de um elemento do
sistema, quando este sofre um curto-circuito, ou quando começa a
apresentar uma operação anormal.
Função Secundária
– Promover a indicação local e remota da proteção atuada, bem como
o tipo de defeito.
Proteção Primária
– É aquela que dentro de uma zona de proteção deve operar visando
manter a seletividade do esquema.
Proteção de Retaguarda
– Tem a finalidade de atuar na manutenção do rele primário ou falha
deste.
Relés Auxiliares
– Função de multiplicação de contatos, sinalização, temporização, etc.
Características Gerais dos Equipamentos de Proteção
Filosofia de Proteção
– Relé → Cérebro
– Disjuntor → Músculos
– Relé + Disjuntor → Time
Conjunto de Proteção
Filosofia de Proteção
Exatidão e Segurança
–Deve operar somente para falhas reais obedecendo os critérios de
seletividade e função especifica.
–Manutenções periódicas
• Relés de Proteção
• Testes funcionais dos circuitos de comando e controle dos
disjuntores.
Seletividade
– A proteção deverá isolar somente a parte defeituosa do sistema
elétrico.
– Critério
• Ajustes
Características Funcionais dos Conjuntos de Proteção
Filosofia de Proteção
Sensibilidade de Operação
–A proteção deverá ter sensibilidade para operar nas condições
mínimas de falha e não operar nas condições de carregamento
máximo do sistema.
–Atenção especial para sistemas trifásicos desequilibrados.
Rapidez
A proteção deverá operar o mais rápido possível:
–Diminuir a extensão dos danos.
–Auxiliar a manutenção da estabilidade do sistema.
–Manter as condições normais de operação das partes sádias do
sistema.
Características Funcionais dos Conjuntos de Proteção
Filosofia de Proteção
Define-se como falta uma condição anormal que resulte numa redução
da isolação entre os condutores de fase para a terra ou entre os
fases.
A redução da isolação não é considerada falta até que seja detectável.
Principais causas de faltas em linhas aéreas: queimadas, descargas
atmosféricas, poluição de cadeias de isoladores, etc…
Principais causas de falhas em máquinas e transformadores: baixa
isolação devido a umidade, danos mecânicos, sobretensões,
sobrecargas, etc…
Faltas Primárias
Filosofia de Proteção
Outros tipos de faltas, ditas secundárias, podem ocorrer e provocar
desligamentos:
– Defeitos na proteção.
– Ajustes incorretos.
– Conexões incorreta.
– Erro humano durante testes ou manutenções ou operação
(manobra) incorreta.
Faltas Secundárias
Filosofia de Proteção
Trifásica com ou sem terra.
Fase-fase com ou sem terra.
Fase-terra.
Faltas simultâneas em pontos diferentes do sistema, afetando fases
diferentes.
Rompimento de condutores e queda de torres de transmissão.
Curto-circuito interno em geradores e transformadores.
Perda de excitação em geradores.
Tipos de Falta
Filosofia de Proteção
• Relés
• TC’s
• TP’s
• Divisores capacitivos (TPC)
• Capacitores de acoplamento
• Filtros de onda
• Disjuntores
• Relés auxiliares de sinalização e disparo
• Fusíveis
• Canais piloto
Componentes da Proteção
Filosofia de Proteção
–Sistemas Radiais
–Sistemas com linhas paralelas
–Sistema em anel
–Sistema interligado.
Layout do Sistema
Filosofia de Proteção
Zonas de proteção são subdivisões de um sistema elétrico, em áreas
distintas, onde a proteção elétrica deverá atuar para isolar esta área
do restante do sistema
Zonas de Atuação
Filosofia de Proteção
Superposição de zonas de proteção
Zonas de Atuação
Filosofia de Proteção
Os disjuntores são localizados em conexão a cada elemento do sistema
de potência.
Uma determinada zona é estabelecida em torno de cada elemento do
sistema.
Falhas em zonas superpostas operam os disjuntores das duas zonas.
A falha de um disjuntor (BF) em uma zona, implica na abertura de
todos os DJ’s da zona adjacente.
A inexistência de superposição cria pontos cegos.
Zonas de Atuação
Filosofia de Proteção
A detecção de faltas, em geral, está associada a quantidades
significativas de corrente de faltas.
Exceções: faltas monofásicas para terra, onde a corrente depende do
método de aterramento do neutro de sistemas estrela.
Há diversas razões, técnicas e econômicas, para se aterrar o neutro,
além do cumprimento de determinações legais.
Aterramento do Neutro
Filosofia de Proteção
Razão econômica
– Verifica-se em tensões a partir de 100 kV. O aterramento sólido
do neutro de trafos permite reduzir a espessura do isolamento
dos enrolamentos à medida que se aproxima do ponto de neutro.
Aterramento do Neutro
Filosofia de Proteção
Razões técnicas
– potencial flutuante dos enrolamentos de baixa tensão é mantido
num valor mínimo faltas para terra com arco não induzem altas
tensões perigosas nas fases sadias
– através do controle da magnitude da corrente de falta à terra, as
interferências indutivas entre os circuitos de potência e os
circuitos de comunicação podem ser controladas
– a corrente de falta à terra, na maioria dos casos, é suficiente
para operar a proteção normal. Mesmo quando a resistência
própria de terra é alta, ainda é conveniente aterrar o ponto de
neutro.
Aterramento do Neutro
Filosofia de Proteção
Métodos de aterramento:
– aterramento sólido: durante uma falta fase-terra, a tensão fase-
terra das fases sãs não excede 80% da tensão entre fases.
– aterramentoatravés de resistência: a resistência é dimensionada
de modo a satisfazer os requisitos de proteção.
– aterramento através de reatância: a reatância é dimensionada de
modo a satisfazer os requisitos de proteção ou controle de
interferências indutivas.
Aterramento do Neutro de Transformadores
Filosofia de Proteção
Principais funções
– 21 - Relé de Distância
– 27 - Relé de Subtensão
– 32 - Relé Direcional de Potência
– 40 - Relé de Campo (Perda de Excitação)
– 46 - Relé de Sequência Negativa
– 49 - Relé Térmico para Máquina ou Transformador
– 50 - Relé de Sobrecorrente Instantâneo
– 51 - Relé de Sobrecorrente Temporizado
Nomenclatura ASA - “American Standard Association”
Filosofia de Proteção
Principais funções
– 59 - Relé de Sobretensão
– 63 - Relé de Pressão
– 64 - Relé de Falha a Terra
– 71 - Relé de Nível
– 79 - Relé de Religamento
– 81 - Relé de Frequência
– 87 - Relé de Proteção Diferencial
Nomenclatura ASA - “American Standard Association”
Proteção de Linhas de Transmissão
– Busca eliminar uma falha no menor intervalo de tempo possível, 
evitando que os equipamentos sejam submetidos às elevadas 
correntes de curto-circuito.
– Deve desligar o menor trecho possível, ou seja, perfeitamente
seletiva.
– Empregam-se relés de sobrecorrente e de distância.
Considerações Iniciais
Proteção de Linhas de Transmissão
Constitui-se no método de proteção mais simples e econômico para
linhas de transmissão.
Utilizam-se relés com característica de tempo inverso ou tempo
definido.
É uma proteção mais lenta.
Não verifica a direcionalidade da falha.
Por vezes torna-se difícil a obtenção de uma boa e adequada
coordenação das proteções.
Relés de Sobrecorrente - 50/51
Proteção de Linhas de Transmissão
Dados necessários para a definição dos ajustes:
– máxima corrente de carga admissível no circuito.
– relação de transformação do TC (RTC).
– correntes de curto-circuito trifásico e monofásico.
– Tempo de operação da proteção.
Relés de Sobrecorrente - 50/51
Proteção de Linhas de Transmissão
Cada proteção é ajustada com a mínima corrente de defeito no trecho
protegido:
– Pick-up de Ra = I1
– Pick-up de Rb = I2
– Pick-up de Rc = I3
No caso de um curto-circuito entre B e C associada à falha da proteção
B, não haverá uma retaguarda para eliminação da falha.
A solução neste caso seria todas as proteções ajustadas para a
corrente mínima de curto-circuito (Barra D), todavia, com
característica de tempo inverso.
Sobrecorrente Instantâneo - 50
Proteção de Linhas de Transmissão
Obtém-se uma maior seletividade empregando-se relés com
características de tempo inverso.
Pode-se empregar três relés temporizados com o “pick-up” ajustado
para a mínima corrente de curto-circuito, onde a seletividade é
obtida pela correta seleção do dial de tempo de cada proteção.
Sobrecorrente Temporizado - 51
Proteção de Linhas de Transmissão
Deve-se promover um atraso entre as proteções dado por:
– Dt = td + ti + ts
onde:
– td = tempo de operação do disjuntor
– ti = tempo de inércia do disco do relé (eletromecânico)
– ts = fator de segurança
Sobrecorrente Temporizado - 51
Proteção de Linhas de Transmissão
Para compensar a relativa lentidão desta proteção, pode-se utilizar
uma combinação de unidades de sobrecorrente temporizada e
instantânea.
Sobrecorrente Temporizado - 51
Proteção de Linhas de Transmissão
Conforme já mencionado os relés de sobrecorrente (instantâneos e
temporizados) não distinguem o sentido da corrente de falta, o que
torna inviabilizada suas aplicações em sistemas malhados.
Para uma falta em F3:
– T5 T3 > T5
- T6 > T4 > T2
Para uma falta no ponto P irão abrir os disjuntores 3 e 4.
Os disjuntores 2 e 5 somente serão abertos no caso de falha dos
disjuntores 3 e 4 respectivamente.
Face às dificuldades impostas pela proteção de sobrecorrente em
sistemas interligados, é mais comum o emprego de relés de
distância para falhas em linhas de transmissão.
Sobrecorrente Direcional - 67
Proteção de Linhas de Transmissão
Proteção mais rápida do que aquela realizada por relés de
sobrecorrente (direcionais ou não).
Trata-se de uma proteção seletiva.
Sua resposta independe dos níveis de curto-circuito do sistema,
assegurando uma melhor estabilidade do mesmo.
Aplicam-se na proteção contra falhas fase-fase e fase-terra em linhas
de transmissão.
Relés de Distância - 21
Proteção de Linhas de Transmissão
Princípio Básico de Medição
O relé recebe informações de tensão e corrente no ponto de instalação
e calcula a impedância equivalente:
�� =
��
��
	 Ω
Superpõe-se à característica da linha protegida (plano R-X) a medição
efetuada pelo relé.
Relés de Distância - 21
Proteção de Linhas de Transmissão
Nestes diagramas superpõem-se as características da linha protegida e
do relé de proteção, permitindo a visualização do comportamento do
esquema para diversas condições.
Exemplo:
Traçar num diagrama R-X a impedância secundária da linha e da carga
vista pelo relé 21.
Relés de Distância - 21
Proteção de Linhas de Transmissão
Vbase = 345kV Impedância primaria da linha:
Sbase = 1000MVA RL = 0,0588*119,025 = 7,0 Ω
Zbase = (	
�)
����
= 119,025	Ω XL = 0,714*119,025=85,0 Ω
Impedância secundaria da linha:
RTC=200; RTP = 3000;
RL = �	∗	���
	���
= 0,466	[Ω]
XL = ��∗���
	���
= 5,66	[Ω]
Relés de Distância - 21
Proteção de Linhas de Transmissão
Impedância equivalente da carga
S=200MVA
FP=0,8(ind) -> ø =36,86° Impedância secundaria
Zc =�
�
	=(	
�)
���
=5995,125[Ω] Rcs = 476,1* � !
� "
= 476,1* ���
	���
= 31,74[Ω]
Rc = Zc*cos(ø)=595,125*0,8=476,1 [Ω] Xcs = 357,0* � !
� "
= 357,0* ���
	���
= 23,80[Ω]
Xc = Zc*sen(ø)=595,125*0,60=357,0[Ω]
Relés de Distância - 21
Proteção de Linhas de Transmissão
Diagrama R - X
Proteção de Linhas de Transmissão
Impedância
– No plano R-X trata-se de um circulo com centro na origem, cujo raio
vale:
� = (#$� + &$� [Ω]
– Relés de distância do tipo impedância não possuem direcionalidade.
MHO
– Por definição é um relé direcional com restrição por tensão.
– No plano R-X é representado por um circulo passando pela origem
com diâmetro igual à impedância equivalente do trecho protegido.
– Combina as funções direcionais e distância numa mesma unidade e
ocupa menor área no plano R-X.
Reatância
– Utilizado para proteção contra faltas entre fases em linhas curtas,
onde a resistência de arco é considerável em relação à impedância
total da linha.
Tipos de Relés de Distância
Proteção de Linhas de Transmissão
Os relés são ajustados por zonas:
Zona 1: Alcance de 80 - 90% da linha a ser protegida. Não possui
temporização.
Zona 2: Protege o restante da linha com sobrealcance do terminal
remoto. A operação da zona 2 sempre será temporizada para
obtenção de coordenação com os trechos de linhas adjacentes.
Zona 3: Tem a função de promover uma retaguarda para as linhas
adjacentes. O seu alcance normalmente será 100% da linha
protegida + 100% da linha adjacente. Também possui uma
temporização.
Critérios de Ajustes do Relé de Distância
Proteção de Linhas de Transmissão
Uma maneira simplificada de representar as zonas de alcance de uma
proteção de
distância está mostrada na figura a seguir:
Critérios de Ajustes do Relé de Distância
Proteção de Linhas de Transmissão
Trata-se de um dos principais problemas na definição dos ajustes de uma
proteção de distância.
A impedância de falta, vista pelo relé, será afetada pela resistência de
arco, reduzindo o alcance da zona de proteção.
É admissível que o alcance da zona 1 sofra redução. Todavia, não admite-
se, em hipótese alguma que o alcance efetivo da zona 2 seja inferior a
Z
Efeito da Resistência de Arco
Proteção de Linhas de Transmissão
Oscilações de potência podem ocorrer num sistema elétrico após rejeições de
carga ou abertura de linhasde transmissão quando da ocorrência de falhas.
As extensões destas oscilações dependem da
severidade dos distúrbios que as deram
origem.
Relés de distância podem ser afetados durante
estas oscilações.
Estudos sobre oscilação de sistema mostram
que, no momento em que se verifica estas
anormalidades, a impedância vista pelo relé
varia com relativa lentidão, em relação às
condições de carga antes do distúrbio.
Oscilação de Potência
Proteção de Linhas de Transmissão
Assim exposto, para evitar a operação indevida da proteção 21, faz se
um bloqueio por oscilação de potência, ou seja, o relé verifica a
velocidade com que o valor da impedância varia, invadindo as zonas
de proteção.
• Variação sobre a curva de impedância da carga (Bloqueio)
• Variação sobre a curva de impedância da linha (Trip).
Estas ações de bloqueio podem ser diferenciadas. Por exemplo:
• Detecção de oscilação bloqueiam as zonas 2 e 3, com
expectativa de que o sistema se restabeleça.
• Caso o vetor de impedância invada a zona 1 libera-se o sinal
de Trip.
Oscilação de Potência
Proteção de Linhas de Transmissão
Uma proteção deve atender a 2 requisitos básicos:
• Rapidez
• Seletividade
Nos esquemas convencionais é difícil a proteção ser, ao mesmo tempo,
rápida e seletiva.
A teleproteção é um sistema de proteção onde um terminal é
informado pelo terminal remoto, através de um sinal via
microondas, carrier ou óptico, da localização do defeito, para que
seja comandada ou não a abertura do disjuntor.
Teleproteção
Proteção de Linhas de Transmissão
É o método mais utilizado para transmissão do sinal de teleproteção.
Utiliza-se a própria linha de transmissão como meio de propagação.
Teleproteção Via Carrier
Proteção de Linhas de Transmissão
Os transmissores e receptores são conectados à linha através dos
equipamentos de sintonia e capacitor de acoplamento.
Os filtros de onda são sintonizados na frequência de carrier e, uma vez
localizados nos terminais, mantêm o sinal de carrier restrito à linha
protegida.
Transmissor e Receptor
• São equipamentos semelhantes aos usados em rádio
comunicação, porém, operando em frequências menores (de 30 a
300kHz).
• O transmissor é calibrado numa dada frequência, na qual emitirá
a onda portadora.
• O receptor no terminal remoto também deve ser calibrado nesta
frequência.
Capacitores de Acoplamento
• Permite a conexão segura do circuito de baixa tensão
(transmissor ou receptor) ao circuito de alta tensão (LT).
• Oferece uma baixa impedância na frequência de carrier.
Teleproteção Via Carrier
Proteção de Linhas de Transmissão
Unidade de Sintonia
• Reduz ao mínimo as perdas resultantes da transferência de
energia da corrente da onda portadora e os equipamentos de
transmissão e recepção.
• A indutância variável permite que o circuito capacitor-unidade
de sintonia entre em ressonância na frequência da onda
portadora.
Teleproteção Via Carrier
Proteção de Linhas de Transmissão
Basicamente cada terminal possui um conjunto Transmissor / Receptor
operando na mesma frequência e relés detectores de falta (P e S).
• relé piloto (P): opera para falhas no trecho protegido.
• relé start (S): opera para falhas externas à zona de proteção.
Comparação Direcional por Bloqueio (“Block”)
Proteção de Linhas de Transmissão
Normalmente os detectores de falta entre fases são relés de distância (21P
e 21S) e os relés de falha a terra são relés de sobrecorrente direcionais.
Uma falta em F1 será vista pelo relé PB, todavia, o comando de trip é
bloqueado pela recepção de bloqueio enviado pelo terminal A, uma vez
que o relé SA detecta a falha fora da zona a ser protegida.
Uma falta em F3 será vista pelo relé PA, no entanto o comando de trip é
bloqueado pela recepção de bloqueio enviado pelo terminal B, uma vez
que o relé SB detecta a falha fora da zona a ser protegida.
Uma falta em F2 será prontamente eliminada, uma vez que os relés PA e
PB operam. Não há partida do carrier, consequentemente não há sinal
de bloqueio.
Neste esquema (block) o carrier está normalmente OFF, ou seja, não há
sendo enviado durante a operação normal ou para falhas no trecho
protegido. A transmissão do sinal de bloqueio dar-se-á para falhas nas
linhas adjacentes.
Comparação Direcional por Bloqueio (“Block”)
Proteção de Linhas de Transmissão
Quando num terminal tem-se a operação do relé piloto, tem-se o
bloqueio do transmissor.
Uma vez que o sinal de bloqueio é enviado ao terminal remoto, o
mesmo deve ser mantido por algum tempo (≈ 150ms).
Comparação Direcional por Bloqueio (“Block”)
Proteção de Linhas de Transmissão
O esquema de teleproteção com envio de sinal de “Unblocking” é mais
simples na sua concepção do que o esquema com envio de sinal de
“block”. Os relés “olham” exclusivamente no sentido da linha
protegida.
O sinal de bloqueio está permanentemente ligado. O desbloqueio
ocorre para falhas internas ou externas que sensibilizem a proteção.
Para que haja trip é necessário que o relé piloto opere e o respectivo
receptor receba o sinal de desbloqueio.
Comparação Direcional por Desbloqueio (“ Unblock ”)
Proteção de Linhas de Transmissão
Falta em F1: Falta em F2:
P2 - Operado P1 e P2 - Operados
R1 - Recebe o sinal de desbloqueio (85-1 fecha) R1 e R2 - Ambos deixam de receber sinais de
bloqueio
P1 - Não opera T1 e T2 - Deixam de enviar sinais de bloqueio
T1 - Permanece enviando o sinal de bloqueio 85-1 e 85-2 - Desoperados
R2 - Permanece recebendo o sinal de bloqueio (85-2 aberto) DJ1 e DJ2 - Recebem comandos de abertura
DJ1 e DJ2 - Permanecem fechados
Comparação Direcional por Desbloqueio (“ Unblock ”)
Proteção de Linhas de Transmissão
Nos dois esquemas não há transmissão de sinal para defeitos internos
à linha.
O esquema “unblocking” apresenta vantagem em relação ao “blocking”
no que tange ao bloqueio para falhas externas. O sinal de bloqueio
está sempre presente.
No esquema “unblocking” pode-se diminuir a periodicidade dos testes
nos canais, haja visto que há uma constante supervisão do nível do
sinal.
Em operação normal os transmissores permanecem constantemente
enviando o sinal de bloqueio.
Comparação entre Esquemas “Block” e “Unblock”
Proteção de Linhas de Transmissão
Operação normal da linha:
– Os transmissores não estão chaveados, emitindo, entretanto, um
sinal contínuo, chamado sinal de Guard.
– Os relés G1 e G2 dos receptores R1 e R2 respectivamente,
permanecem energizados, fazendo com seus contatos
permaneçam abertos.
Transfer Trip (Transferência de Disparo)
Proteção de Linhas de Transmissão
Os sinais de Guard têm a função básica de supervisionar os canais e
também contribuir para a confiabilidade do esquema, diminuindo a
probabilidade de operação indevida causada por ruídos.
Falha no Ponto F2
– Esta falha é detectada em zona 1 pelo relé R1.
– O relé 2 enxerga a falha em zona 2 (temporizada).
– Tem-se a abertura local do disjuntor 1 pela ação de R1.
– O transmissor T2 é chaveado para a frequência de trip.
– O receptor 2 deixa de receber o sinal de Guard, desenergizando G2
e energizando T2.
– Tem-se a abertura remota do disjuntor 2, pela transferência de
disparo.
Este esquema é normalmente usado nos seguintes casos:
– proteção de reatores “shunt”;
– proteção contra sobretensões.
Transfer Trip (Transferência de Disparo)
Proteção de Transformadores de Potência
Dentre os elementos das instalações elétricas, o transformador é o
equipamento que apresenta maior segurança de serviço.
Estão sujeitos a curto-circuitos internos e sobre temperaturas.
Os curto-circuitos resultam de problemas na isolação devido a:
– Sobretensões de origem atmosférica ou de manobras.
– Sobreaquecimento dos enrolamentos ( sobrecargas por longos
períodos de tempo).
As sobre temperaturas ocorrem por sobrecarga ou falha da ventilação
forçada.
Considerações Gerais
Proteção de Transformadores de Potência
Grandes transformadores possuem as seguintes proteções para curto-
circuitos:
• Proteção Diferencial
• Proteção Buchholzs (relé de gás)
• Sobrecorrente (retaguarda)
Transformadores demédio e pequeno porte são protegidos por relés de
sobrecorrente.
Relés térmicos e imagens térmicas constituem a proteção por
sobrecarga em transformadores.
Considerações Gerais
Proteção de Transformadores de Potência
Preferencialmente é feita por meio de relés diferenciais e relé
Buchollzs.
A proteção 87T é recomendável para todo banco trifásico de potência
superior a 1MVA e econômico acima de 5MVA.
A proteção por sobrecorrente de fase e sobrecorrente de neutro é
empregada como uma proteção de retaguarda.
Proteção Contra Curto-Circuitos Internos nos Enrolamentos
Proteção de Transformadores de Potência
Proteção Diferencial Percentual
Proteção de Transformadores de Potência
A conexão dos transformadores de corrente obedece à uma regra
empírica:
“Os TC´s colocados no lado estrela do transformador de
potência devem ser conectados em D, e os TC´s do lado delta
do transformador de potência devem ser conectados em
estrela.”
Tal arranjo compensa o defasamento angular das correntes devido ao
tipo de conexão do transformador.
No caso de relés numéricos tal regra não se aplica, haja visto que as
correções são feitas internamente ao relé.
Proteção Diferencial Percentual
Proteção de Transformadores de Potência
Proteção Diferencial Percentual
Proteção de Transformadores de Potência
Elimina todos os tipos de curto-circuitos internos, inclusive entre
espiras.
Em transformadores aparecem outras correntes diferenciais, que não
as de defeito. São aquelas devido a:
– Corrente de magnetização durante a energização.
– Erros de relação de transformação dos TC´s.
– Imperfeições nos ajustes das relações de transformação dos
TC´s.
Proteção Diferencial Percentual
Proteção de Transformadores de Potência
A proteção diferencial deve ser insensível à corrente diferencial
causada pela corrente de “inrush” do transformador.
Proteção Diferencial Percentual
Proteção de Transformadores de Potência
Temporização do Relé
– Inviável, pois durante uma falha real o relé deve operar
instantaneamente .
Restrição por Harmônicos
– A corrente de magnetização possui um conteúdo harmônico
muito grande.
– É o melhor e mais utilizado método de bloqueio desta proteção
para energização de transformadores.
Proteção Diferencial Percentual
Proteção de Transformadores de Potência
Serve como proteção de retaguarda para falhas externas.
Cada relé de sobrecorrente deve possuir:
• Um elemento de tempo inverso cuja corrente de “pick-up” é
ajustada um pouco acima da máxima corrente de carga
(Ajuste Típico - 1,5In) e suficientemente temporizada para ser
seletiva com o Trip dos elementos adjacentes durante faltas
externas.
Proteção por Sobrecorrente - 51
Proteção de Transformadores de Potência
Um elemento instantâneo cuja corrente de “pickup” é fixada
ligeiramente acima, seja da máxima corrente de curto-circuito para
falta externa ou da corrente de magnetização, a que for maior.
Proteção por Sobrecorrente - 51
Proteção de Transformadores de Potência
O dial de tempo da unidade temporizada deve ser ajustado de forma a
atender ao ponto ANSI do transformador.
Proteção por Sobrecorrente - 51
Proteção de Transformadores de Potência
Responde rapidamente a um aumento
anormal da pressão interna do tanque do
transformador, devido ao arco de uma
falha interna.
É insensível a variações lentas na pressão
causadas, por exemplo por variações de
carga.
Trata-se de uma valiosa suplementação aos relés diferenciais e de
sobrecorrente.
Proteção por Meio de Relé de Pressão (ASA 63)
Proteção de Transformadores de Potência
Aplica-se em transformadores
que possuem tanque de
expansão.
O funcionamento baseia-se no
acumulo de gases ou fluxo
anormal de óleo entre tanque e o
conservador.
Proteção por Relés de Gás Tipo Buchholzs
Proteção de Transformadores de Potência
Os gases são oriundos de descargas internas ou sobreaquecimentos
localizados, que degradam os materiais isolantes (óleo, papel,
madeira, etc..).
Para falha interna no transformador tem-se normalmente um fluxo de
óleo entre o tanque e conservador numa velocidade de 1,0
±0,15m/s.
Estes relés devem ser testados periodicamente (anualmente) por
acionamento manual e injeção de ar.
Proteção por Relés de Gás Tipo Buchholzs
Proteção de Transformadores de Potência
Registro para injeção
de ar seco na câmara do
relé Buchholzs.
Pino para acionamento manual
do dispositivo de proteção.
Proteção por Relés de Gás Tipo Buchholzs
Proteção de Transformadores de Potência
Destinam-se a proteger o isolante contra os estragos provocados por
aquecimento inadmissível.
Geralmente os transformadores dispõem de indicadores de
temperatura constituídos por um bulbo, tubo capilar e um cilindro de
medição.
A expansão do líquido dentro do cilindro aciona um sistema de relógios
para indicação local e um conjunto de contatos elétricos.
Proteção Contra Sobrecarga
Proteção de Transformadores de Potência
Bulbos coletam a temperatura
do óleo na parte superior do
Transformador.
Proteção Contra Sobrecarga
Proteção de Transformadores de Potência
1º Estágio: Liga banco 1 de ventiladores (65ºC).
2º Estágio: Liga banco 2 de ventiladores (85ºC).
3º Estágio: Alarme por sobretemperatura Enrolamento. (105ºC).
4º Estágio: Trip por sobretemperatura Enrolamento. (120ºC)
Temporização: 10min.
Proteção Contra Sobrecarga
Proteção de Transformadores de Potência
Permite o acréscimo do gradiente de temperatura entre o enrolamento
e o óleo na medição do relé de bulbo.
Proteção Contra Sobrecarga por Imagem Térmica
Proteção de Transformadores de Potência
O ajuste é feito para a corrente nominal no enrolamento.
De projeto tem-se a elevação de temperatura do enrolamento para a
corrente nominal.
Na curva determina-se a tensão sobre a resistência equivalente.
Ajusta-se o potenciômetro até o valor desejado.
Esta proteção possui TC´s exclusivos medindo a corrente em cada
enrolamento.
Proteção Contra Sobrecarga por Imagem Térmica
Proteção de Transformadores de Potência
Não requer transformador auxiliar para correção de amplitude e ângulo
de fase das correntes.
A corrente diferencial e a corrente de restrição são calculadas em pu
tendo por base a corrente nominal do relé.
As componentes DC e harmônicas são eliminadas por filtros digitais.
Característica de operação ajustável.
Bloqueio baseado no conteúdo de segundo harmônico da corrente
diferencial (Inrush).
Bloqueio baseado no conteúdo de quinto harmônico da corrente
diferencial (Sobrexcitação).
Proteção Numérica - Características
Proteção de Transformadores de Potência
Inicialmente as correntes são medidas / calculadas em pu tendo como
base a corrente nominal do relé (5A).
Os valores das correntes são recalculados agora na base da corrente
nominal do transformador, aplicando-se os fatores de correção k1 e
k2.
Proteção Numérica - Correção de Amplitude das Correntes
Proteção de Transformadores de Potência
Uma vez informado o grupo de defasamento ângular, tem-se um
processamento matemático, de onde resultam correntes
equivalentes à uma conexão em D dos TC´s no lado Y do
transformador de potência.
Proteção Numérica - Correção do Ângulo de Fase
Proteção de Transformadores de Potência
Id1 = Ic1-Ic2 = 0
Id2 = Ib1-Ib2 = 0
Id3 = Ia1-Ia2 = 0
Proteção Numérica - Correção do Ângulo de Fase
Relés Diferenciais
Baseia-se no princípio da lei de Kirchhoff para as correntes, ou seja:
“A soma das correntes que entram numa junção é igual a soma das 
correntes que saem da junção.”
Pode-se usar um relé de 
sobrecorrente no esquema
diferencial, porém isto torna a
atuação mais lenta.
(Ex: Setor de 34,5kV 
de Brasília Geral).
Relé Diferencial – ANSI 87
Proteção de Transformadores de Potência
Relé Diferencial – ANSI 87
Proteção de Transformadores de Potência
Na prática a corrente numa malha diferencial não é idealmente nula,
devido a erros sistemáticos como:
– Erro de relação dos TC’s.
– Efeito de saturação dos TC’s.
– Existência de componente contínua da corrente de curto-circuito.
Nesta condição é preferívelutilizar uma conexão menos sensível.
Relé Diferencial – ANSI 87
Proteção de Transformadores de Potência
Equivalente eletromecânico do rele diferencial
Relé Diferencial – ANSI 87
Proteção de Transformadores de Potência
O principio diferencial percentual é muito utilizado para proteção de
todos os tipos de equipamentos e também para barras.
Esse principio que era tradicionalmente implementado para as
proteções eletromecânicas e estáticas, continua sendo
implementado também para as proteções de tecnologia digital.
Relé Diferencial – ANSI 87
Proteção de Barramentos
Para a isolação de defeitos em barramentos, devem ser abertos os
disjuntores de todos os circuitos conectados à barra defeituosa.
O desligamento de uma barra pode resultar na interrupção de um
grande fluxo de potência.
Deve ser insensível às falhas externas (operação segura).
Considerações Iniciais
Proteção de Barramentos
Arranjo da subestação (anel, barra dupla, etc...)
Preço do equipamento, relativamente à performance exigida.
Proteção Diferencial de Barras
É a proteção mais utilizada.
Baseia-se na lei das correntes de Kirchhoff, ou seja, a soma fasorial
das correntes que entram na barra é igual à soma das correntes que
saem.
Seleção do Tipo de Proteção
Proteção de Barramentos
Consiste em ligar o secundário dos TC´s de forma que em regime
normal de operação ou para falhas externas, seja mínima a corrente
circulando pelo relé.
Esta proteção apresenta o inconveniente da operação indevida para
falhas externas, quando da saturação do TC da linha defeituosa,
haja visto que todas as contribuições para a falha constituem a
corrente primária deste TC.
Esta proteção é mais eficaz em sistemas com baixo nível de curto
circuito.
Proteção Diferencial de Barras por Relés de Sobrecorrente
Proteção de Barramentos
Barramento Duplo
Filosofias Adotadas
Proteção de Barramentos
Barramento Duplo
A proteção de barra opera no modo individual ou “Overall”:
– Operação Individual: A proteção de barra desligará apenas os
disjuntores ligados àquela barra.
– Operação “Overall”: Esta operação é utilizada quando um dos
disjuntores de linha necessita de reparos ou manutenção
preventiva e, por isso, utiliza-se o disjuntor de amarre na sua
substituição.
A localização dos TC´s deverá ser tal que a proteção diferencial da
barra e da linha fiquem superpostas.
Filosofias Adotadas
Proteção de Barramentos
Barramento Duplo
- Arranjo (I):
– Neste caso não há pontos onde uma eventual falha não seja eliminada instantaneamente.
- Arranjo (II):
– No caso de uma falta em F1 ter-se-á a abertura do disjuntor, uma vez que a proteção da
barra é sensibilizada.
– A falha continua sendo alimentada pelo terminal remoto.
– A proteção de falha do disjuntor, com acréscimo da transferência de disparo seria uma
solução.
- Arranjo (III):
– No caso de uma falta em F2 ter-se-á a abertura do disjuntor, uma vez que a proteção da
linha é sensibilizada.
– A falha continua sendo alimentada, uma vez que a mesma está fora da zona de proteção da
barra.
– A proteção de falha do disjuntor, com acréscimo da transferência de disparo seria uma
solução.
Filosofias Adotadas
Proteção de Barramentos
Barramento em Anel
Filosofias Adotadas
Proteção de Barramentos
Barramento em Anel
Por questões de economia utiliza-se um arranjo com 4 TC´s apenas.
Filosofias Adotadas
Proteção de Barramentos
Barramento em Anel
Arranjo (I):
– Para uma falta em F1 as proteções R1 e R4 comandam a
abertura dos disjuntores 1, 2 e 4.
– A falha permanece alimentada pelo terminal remoto de L4.
– Este problema pode ser minimizado utilizando-se a transferência
de disparo ou aceleração de zona para terminal remoto de L4.
– Pode-se adotar também o esquema de falha do disjuntor 1.
Arranjo (II):
– Para uma falta em F2 a proteção R1 comanda a abertura dos
disjuntores 1 e 2.
– A falha permanece alimentada pelo terminal remoto de L4.
– Pode-se adotar o esquema de falha do disjuntor 1, que resulta na
abertura do disjuntor 4 e terminal remoto de L4.
Filosofias Adotadas
Proteção de Barramentos
Barramento Tipo Disjuntor e Meio
Filosofias Adotadas
Proteção de Barramentos
Barramento Tipo Disjuntor e Meio
Filosofias Adotadas
Proteção de Barramentos
Barramento Tipo Disjuntor e Meio
Falha no ponto (I):
– A proteção diferencial da barra A comanda a abertura dos
disjuntores 1 e 4.
– A falha permanece alimentada pelo terminal remoto de L1.
– A proteção R1 não é sensibilizada.
– Pode-se adotar um esquema de falha do disjuntor, com
transferência de disparo para eliminar a falha.
Falha no ponto (II):
– A proteção R3 comanda a abertura dos disjuntores 2 e 3.
– A falha permanece alimentada pelo terminal remoto de L1.
– Pode-se adotar o esquema de falha do disjuntor 2, que resultará
na abertura do disjuntor 1 e transferência de disparo para o
terminal remoto de L1.
Filosofias Adotadas
Proteção de Barramentos
Barramento Tipo Disjuntor e Meio
Falha no ponto (III):
– A proteção diferencial da barra B comanda a abertura dos
disjuntores 3 e 6.
– A falha permanece alimentada pelo terminal remoto de L3.
– A proteção R3 não é sensibilizada.
– Pode-se adotar um esquema de falha do disjuntor, com
transferência de disparo para eliminar a falha.
Filosofias Adotadas
Proteção de Falha de Disjuntor
Trata-se de uma função que tem a finalidade de detectar falha de
abertura de disjuntor quando de um comando automático de
desligar. O disjuntor é parte integrante do sistema de proteção,
sendo que sua função é, através do seu desligamento, isolar o
componente ou trecho sob falha ou sob anormalidade.
No caso de ocorrência de não desligamento quando de um comando
dado por uma proteção, haverá necessidade imediata de
desconectar outros disjuntores cujos circuitos alimentam
diretamente o disjuntor defeituoso. Estes outros disjuntores podem
estar na mesma subestação ou em uma subestação remota.
Conceito
Proteção de Falha de Disjuntor
Na figura a seguir, ocorrendo falha de abertura do disjuntor A, o
esquema desliga os disjuntores D, B e C da subestação e deve,
obrigatoriamente, transmite sinal de disparo direto para o disjuntor
X da subestação remota.
Conceito
Proteção de Falha de Disjuntor
Na figura a seguir, ocorrendo falha de abertura do disjuntor A, o
esquema desliga os disjuntores de todas as maquinas geradoras e o
disjuntor B da subestação e transmite sinal de disparo para o
disjuntor X da subestação remota.
Conceito
Proteção de Falha de Disjuntor
Observa-se que a configuração dos disjuntores influi diretamente nas
consequências da falha de um disjuntor. A configuração mais
favorável entre os mostrados nos exemplos é aquela denominada
“disjuntor e meio”, que preserva, em grande parte, a continuidade
do serviço.
Há, evidentemente, situações onde não é necessária a transmissão de
sinal de disparo direto como mostram as figuras a seguir.
Conceito
Proteção de Falha de Disjuntor
Arranjo disjuntor e meio
Conceito
Proteção de Falha de Disjuntor
Arranjo disjuntor e meio
Conceito
Proteção de Falha de Disjuntor
Esquema lógico
Esquema de Falha Disjuntor
Proteção de Falha de Disjuntor
Esquema funcional
Esquema de Falha Disjuntor
Proteção de Falha de Disjuntor
Após a atuação da proteção, desde que o sensor de corrente 50BF
ainda detecte a existência de corrente (disjuntor não abriu), conta-
se um tempo através do temporizador 62BF (geralmente 0,3s) e se
aciona o esquema de desligamento na subestação e a transferência
direta de sinal para o disjuntor da outra extremidade (se for o caso).
Para linhas de transmissão há necessidade de haver segregação de
fases para o sensor 50BF, isto é, tenha um para cada fase, de modo
que a eventual falha de disjuntor seja discriminada por fase. Isso é
necessário para linhas onde se deseja utilizar esquema de
religamento automático monopolar.
Esquema de Falha Disjuntor
Obrigado!